WO2023096389A1 - 전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly, a method and apparatus for manufacturing the same, a cylindrical battery including the electrode assembly, a battery pack including the same, and an automobile.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. It is universally applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • a battery pack is formed by connecting a plurality of batteries in series.
  • a battery pack is configured by connecting a plurality of batteries in parallel according to a charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of batteries included in the battery pack and the type of electrical connection may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a separator which is an insulator, is interposed between a positive electrode and a negative electrode, and the electrode assembly in the form of a jelly roll is formed by winding the separator, and the electrode assembly is inserted into the battery housing to configure the battery.
  • An electrode tab in the form of a strip may be connected to the non-coated portion of each of the positive and negative electrodes, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and an electrode terminal exposed to the outside.
  • the positive terminal is a cap of a sealing body sealing the opening of the battery housing
  • the negative terminal is the battery housing.
  • a cylindrical battery having a structure in which the positive and negative uncoated regions are located at the top and bottom of the jelly roll type electrode assembly, and a current collecting plate is welded to the uncoated region to improve the current collection efficiency. (a so-called tab-less cylindrical battery) was presented.
  • FIG. 1 to 3 are views showing a manufacturing process of a tab-less cylindrical battery.
  • 1 shows the structure of an electrode
  • FIG. 2 shows a winding process of an electrode
  • FIG. 3 shows a process of welding a current collecting plate to a bent surface of a non-coated portion.
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 11 have a structure in which an active material 21 is coated on a sheet-shaped current collector 20, and a long side of one side along a winding direction X. It includes an uncoated portion 22 .
  • the electrode assembly (A) is manufactured by sequentially stacking the positive electrode 10 and the negative electrode 11 together with two sheets of separator 12 as shown in FIG. 2 and then winding them in one direction (X). At this time, the uncoated portions of the positive electrode 10 and the negative electrode 11 are disposed in opposite directions relative to the direction of the short side of the separator 12 . The positions of the anode 10 and the cathode 11 may be reversed from those shown.
  • the uncoated portion 10a of the positive electrode 10 and the uncoated portion 11a of the negative electrode 11 are bent toward the core. After that, the current collector plates 30 and 31 are welded and coupled to the uncoated portions 10a and 11a, respectively.
  • the current collecting plates 30 and 31 are connected to external electrode terminals, and the current path winds the electrode assembly A. Since it is formed with a large cross-sectional area along the axial direction (see arrow), it has the advantage of lowering the resistance of the battery. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which current flows.
  • FIG. 4 shows the bent shape of the uncoated portions 10a and 11a by cutting a part of the bent portion in the longitudinal direction of the electrode assembly A when the uncoated portions 10a and 11b are bent toward the core along the radial direction using a jig. This is an enlarged picture.
  • the bent shapes of the uncoated portions 10a and 11a are not uniform, and it can be confirmed that the uncoated portions 10a and 11b are irregularly deformed and bent.
  • the degree of deformation of the non-coated portions 10a and 11a increases toward the core of the electrode assembly A. The reason is that the stress applied by the jig increases as the uncoated portions 10a and 11a are located closer to the core side of the electrode assembly A.
  • the uncoated portions 10a and 11a are irregularly bent, welding of the current collecting plates 30 and 31 is not easy because the bent surfaces are not flat.
  • the stress resulting from the irregular deformation of the uncoated portions 10a and 11a affects the nearby separator, causing the separator to tear or the active material layer to break.
  • An internal short circuit may be caused. If an internal short circuit occurs, the temperature of the cylindrical battery rises rapidly as an overcurrent flows, and as a result, the cylindrical battery may ignite or explode.
  • the present invention was invented under the background of the prior art as described above, and an electrode assembly manufacturing method and apparatus capable of making the bending shape of the uncoated portion uniform in bending the uncoated portion of a tab-less cylindrical battery, and an apparatus thereof. Its purpose is to provide an electrode assembly manufactured by the method and apparatus.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a cylindrical battery including an electrode assembly manufactured by an improved method.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly in which energy density is improved, resistance is reduced, and electrolyte impregnability can be improved.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a cylindrical battery including an electrode assembly having an improved structure, a battery pack including the battery pack, and a vehicle including the battery pack.
  • the electrode assembly according to the present invention for achieving the above technical problem is an electrode assembly in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween are wound around one axis to define a core and an outer circumferential surface, and at least one of the positive electrode and the negative electrode
  • a long side end portion includes a plain portion exposed to the outside of the separator along the axial direction of the electrode assembly, and winding turns of the plain portion are provided at one end of the electrode assembly, and the winding turns are alternately disposed along the circumferential direction.
  • the bent portion includes a plurality of uncoated flags arranged along a radial direction of the electrode assembly, and the plurality of uncoated portions
  • the flags may form a bent surface area along a radial direction of the electrode assembly while being overlapped along an axial direction.
  • the cutting part may include a first cutting surface substantially perpendicular to the axial direction.
  • the first cutting surface may be an ultrasonic cutting surface.
  • An insulating coating layer is provided at the proximal end of the uncoated flag, an axial end of the insulating coating layer extends outwardly and is exposed to an axial end of the separator, and the first cutting surface is spaced apart from the axial end of the insulating coating layer. It can be.
  • an axial end of the insulating coating layer and an axial end of the active material layer included in the positive electrode or the negative electrode may be exposed through the first cutting surface.
  • the plurality of uncoated flags may protrude along the axial direction from the first cutting surface.
  • the plurality of uncoated flags may be bent toward the core of the electrode assembly along a bending line spaced apart from the first cutting surface to form a bending surface region.
  • a bending length of the uncoated flag closest to the core of the electrode assembly may be equal to or smaller than a distance from the position of the uncoated flag to the core.
  • the first cutting surface may be spaced apart from the bending surface area.
  • the bent portion may include a second cutting surface extending along side edges of the plurality of uncoated flags.
  • the second cutting surface may be an ultrasonic cutting surface.
  • the second cutting surface may be parallel to the axial direction.
  • the first cutting surface and the second cutting surface may cross each other perpendicularly.
  • the second cutting surface may be a flat surface.
  • the second cutting surface may be a rounded surface.
  • An eccentricity of a circular arc in which a virtual surface perpendicular to the axial direction and the rounded surface meet may be substantially 1.
  • the center of the imaginary circle including the arc and the center of the core of the electrode assembly may face each other based on the arc.
  • the circular arc may be substantially symmetric based on a straight line connecting the center of the imaginary circle including the circular arc and the center of the core of the electrode assembly.
  • the plurality of uncoated flags may have substantially the same width in a circumferential direction from a core side to an outer circumferential surface side of the electrode assembly.
  • a width of the plurality of uncoated flags in a circumferential direction may gradually increase or decrease while going from a core side to an outer circumferential surface side of the electrode assembly.
  • the cutting part may include first to nth cutting parts, and the first to nth cutting parts may radially extend with respect to the center of the core of the electrode assembly.
  • the first to nth cutting parts may be arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the core of the electrode assembly.
  • the bent part may include first to nth bent parts, and the first to nth bent parts may radially extend with respect to the center of the core of the electrode assembly.
  • the first to nth bent parts may be arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the core of the electrode assembly.
  • the bending surface area may include an area where three or more uncoated flags overlap along the axial direction.
  • An electrode assembly manufacturing method for achieving the above technical problem, (a) preparing a positive electrode and a negative electrode having a sheet shape and having a non-coated portion at a long side end; (b) the positive electrode, the negative electrode, and the separator are laminated at least once so that the separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode uncoated portion and the negative electrode uncoated portion are exposed opposite to each other along a short side direction of the separator.
  • Forming an electrode-separator layered body (c) forming an electrode assembly by winding the electrode-separator laminate around one axis so that the turns of the positive electrode uncoated region and the turns of the negative electrode uncoated region are exposed in opposite directions along an axial direction; and (d) cutting at least one of the winding turns of the positive electrode uncoated portion and the winding turns of the cathode uncoated portion so that at least one bending target region remains (remains) in a protruding shape along the axial direction.
  • the step (d) may include a first cutting step of cutting an edge of the bending target region along the axial direction of the electrode assembly; and a second cutting step of cutting a peripheral area of the bending target area perpendicular to the axial direction so that the bending target area remains (remains) in a protruding shape along the axial direction.
  • an edge of the bending target region may be cut using a vertical cutter that vibrates ultrasonically in an axial direction of the electrode assembly.
  • the plurality of cutting lines may form pairs of two and radially extend from the center of the core of the electrode assembly.
  • a plurality of cutting lines may be formed at an edge of the bending target region, and when viewed in an axial direction of the electrode assembly, each of the plurality of cutting lines may have an arc shape curved toward a core center of the electrode assembly.
  • the periphery of the bending target region remains (remains) in a protruding shape along the axial direction.
  • a region may be cut perpendicular to the axial direction.
  • the bending target area remains (remains) in a protruding shape along the axial direction.
  • a peripheral area may be cut perpendicularly to the axial direction.
  • the bending target region remains in a protruding shape along the axial direction. (To remain) a peripheral area of the bending target area may be cut perpendicularly to the axial direction.
  • the plurality of uncoated flags may be bent so that an area where at least three or more uncoated flags overlap in the axial direction is included in the bending surface area.
  • the ultrasonic cutting device for achieving the above technical problem is exposed at one end of an electrode assembly wound around one axis of an anode and a cathode, and a separator interposed therebetween, including a non-coated portion at the end of the long side.
  • a winding turn area between the bent surface areas adjacent in the circumferential direction includes a portion curved toward the core of the electrode assembly, and the cutter knife has a disk shape having a radius substantially equal to a radius of curvature of the curved portion.
  • the cutter knife may be a rotating knife of
  • a cylindrical battery according to the present invention for achieving the above technical problem is (a) an electrode assembly in which a positive electrode and a negative electrode and a separator interposed therebetween are wound around one axis to define a core and an outer circumferential surface, and among the positive electrode and the negative electrode At least one includes a non-coated portion exposed to the outside of the separator along an axial direction of the electrode assembly at a long side end, and includes a winding turn portion of the uncoated portion at one end of the electrode assembly, and the winding portion is formed along a circumferential direction.
  • a cut portion and a bent portion are alternately disposed, an axial height of the cut portion is smaller than an axial height of the bent portion, the bent portion includes a plurality of uncoated flags arranged along a radial direction of the electrode assembly, and the plurality of uncoated flags are arranged.
  • an electrode assembly wherein the uncoated flag of the overlaps along the axial direction and forms a bending surface area along the radial direction of the electrode assembly;
  • a battery housing including an open end and a closed part opposite thereto, in which the electrode assembly is accommodated through the open end, and electrically connected to the negative electrode;
  • a sealing body sealing the open end of the battery housing;
  • a terminal electrically connected to the anode and having a surface exposed to the outside; and
  • a current collecting plate welded to the bent surface area and electrically connected to either the battery housing or the terminal.
  • the terminal is a rivet terminal installed in a through hole formed in the closed portion of the battery housing, and an insulating gasket may be interposed between the rivet terminal and the through hole.
  • the rivet terminal may be welded to the current collecting plate.
  • the current collecting plate may include a support portion including a hole; at least one leg portion extending in a radial direction from the support portion and welded to the bent surface area; a connecting portion provided inside the hole; and a bridge part connecting the support part and the connection part.
  • the cylindrical battery may further include a crimping portion formed by bending an open end of the battery housing toward the core.
  • the sealing body includes a cap covering the open end of the battery housing, and a sealing gasket interposed between the cap and the open end, and the crimping unit presses the sealing gasket toward the edge of the cap.
  • the cylindrical battery further includes a beading portion in a region adjacent to the open end of the battery housing, and at least a portion of an edge of the current collecting plate is interposed between an inner surface of the beading portion and the sealing gasket to engage the inner surface of the beading portion. It can be.
  • At least a portion of an edge of the current collecting plate may be welded to an inner surface of the beading part.
  • the current collecting plate may include a support part; at least one leg portion extending in a radial direction from the support portion and welded to the bent surface area; and a housing connection part extending from the support part or the leg part toward the beading part and coupled to an inner surface of the beading part.
  • the cap corresponds to the terminal, and the current collecting plate includes: a support part; at least one leg portion extending outwardly from the support portion and welded to the bending surface area; and a lead portion extending from the support portion or the leg portion and coupled to the cap.
  • the above technical problem can also be achieved by a battery pack including a plurality of the above-described cylindrical batteries and a vehicle including the battery pack.
  • the bending target region of the uncoated region having a protruding shape along the axial direction of the electrode assembly is formed in a pattern extending along the bending direction, and the uncoated region flags of the bending target region are bent to bend the uncoated region. It is possible to improve the flatness of the surface, and it is possible to alleviate a phenomenon in which the uncoated portion is irregularly bent at the bottom of the bent surface.
  • the electrolyte impregnation is improved.
  • the energy density of the cylindrical battery can be increased accordingly.
  • a plurality of uncoated flags formed in the bending target region are bent along the radial direction of the electrode assembly, resulting in a bending surface in which the uncoated flags are overlapped in several layers.
  • resistance of the cylindrical battery may be reduced by welding a current collector plate to the region.
  • an ultrasonic cutting device including a vertical cutter and a horizontal cutter
  • the winding turn portion of the uncoated portion can be easily cut so that the bending target region remains protruded in the axial direction of the electrode assembly.
  • productivity and manufacturing cost of the electrode assembly can be reduced by providing a method for easily cutting the turn portion of the uncoated portion so that the bending target region remains protruded in the axial direction of the electrode assembly.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each embodiment, or descriptions of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • 1 is a plan view showing the structure of an electrode used in manufacturing a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 2 is a view showing an electrode winding process of a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG 3 shows a process of welding a current collector plate to a curved surface of a non-coated portion in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 4 is an enlarged photograph of a bending structure of an uncoated portion in a cross section of an electrode assembly according to the prior art.
  • FIG. 5 is a plan view showing the structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • 6A is a cross-sectional view of a jelly roll-type electrode assembly in which an electrode according to an embodiment of the present invention is applied to an anode and a cathode, cut along an axial direction (Y).
  • 6B is a partial perspective view showing an upper structure of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • 6C is a partial cross-sectional view of the bending target region of the electrode assembly according to the embodiment of the present invention cut along the axial direction (Y).
  • 6D is an upper plan view illustrating a cutting structure of a winding turn portion provided on an upper portion of an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a vertical cutter used when cutting a winding turn along an axial direction (Y) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a vertical cutter used when cutting a winding turn along an axial direction (Y) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a configuration diagram schematically showing the configuration of an ultrasonic cutting device according to an embodiment of the present invention.
  • 10 to 12 are plan views of vertical cutters according to various modified examples of the present invention.
  • FIG. 13 is a plan view of a horizontal cutter used when cutting a winding turn perpendicular to the axial direction (Y) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a horizontal cutter used when cutting a winding turn perpendicularly to an axial direction (Y) according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a plan view of a horizontal cutter including a rotary knife according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a cross-sectional view of a horizontal cutter including a rotating knife according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a plan view showing a state after forming a cutting line on a winding turn of an electrode assembly using a vertical cutter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a view showing a process of cutting a winding turn portion in a plane (XZ plane) perpendicular to the axial direction (Y) of the electrode assembly by using a horizontal cutter according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a plan view showing a state after forming a cutting line on a winding turn of an electrode assembly using a vertical cutter according to another embodiment of the present invention.
  • 20 is a view showing a process of cutting a winding turn portion in a plane (XZ plane) perpendicular to the axial direction (Y) of the electrode assembly by using a horizontal cutter including a rotary knife according to an embodiment of the present invention.
  • 21 to 24 are top plan views showing the arrangement structure of the bending target area after the winding turn is cut according to an embodiment of the present invention.
  • 25A is a cross-sectional view of a cylindrical battery cut along an axial direction Y according to an embodiment of the present invention.
  • 25B is a plan view showing the structure of a first current collecting plate according to an embodiment of the present invention.
  • 25C is a plan view showing the structure of a second current collecting plate according to an embodiment of the present invention.
  • 26A is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention taken along an axial direction (Y).
  • 26B is a plan view showing the structure of a first current collecting plate according to another embodiment of the present invention.
  • 26C is a perspective view showing the structure of a second current collecting plate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a diagram schematically illustrating the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a diagram schematically illustrating a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless otherwise stated, the first component may be the second component, of course.
  • the arrangement of an arbitrary element on the "upper (or lower)" or “upper (or lower)” of a component means that an arbitrary element is placed in contact with the upper (or lower) surface of the component.
  • ком ⁇ онент when a component is described as “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components may be “interposed” between each component. ", or each component may be “connected”, “coupled” or “connected” through other components.
  • a direction along the longitudinal direction of the winding shaft of the electrode assembly that is wound in the form of a jelly roll is referred to as an axial direction (Y).
  • a direction surrounding the winding axis is referred to as a circumferential direction or a circumferential direction (X).
  • a direction closer to or away from the winding axis is referred to as a radial direction or a radial direction (Z).
  • a direction closer to the winding axis is referred to as a centripetal direction
  • a direction away from the winding axis is referred to as a centrifugal direction.
  • the electrode assembly is a jelly roll type electrode assembly having a structure in which a positive electrode and a negative electrode having a sheet shape and a separator interposed therebetween are wound in one direction.
  • At least one of the positive electrode and the negative electrode includes an uncoated portion not coated with an active material at an end of a long side in a winding direction. At least a part of the uncoated portion is used as an electrode tab by itself.
  • FIG. 5 is a plan view showing the structure of an electrode 40 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 40 includes a current collector 41 made of metal foil and an active material layer 42 .
  • the metal foil is made of a conductive metal.
  • the metal foil may be aluminum or copper, and is appropriately selected according to the polarity of the electrode 40 .
  • the active material layer 42 is formed on at least one surface of the current collector 41 and includes a non-coated portion 43 at an end of a long side in the winding direction X.
  • the uncoated portion 43 is a region not coated with an active material.
  • An insulating coating layer 44 may be formed at a boundary between the active material layer 42 and the uncoated portion 43 . At least a portion of the insulating coating layer 44 overlaps the boundary between the active material layer 42 and the uncoated portion 43 .
  • the insulating coating layer 44 may include a polymer resin and may include an inorganic filler such as SiO 2 and Al 2 O 3 .
  • the polymer resin may have a porous structure.
  • the polymer resin is not particularly limited as long as it is an insulating material.
  • the polymer resin may be polyolefin, polyimide, polyethylene terephthalate, polybutylene fluoride, etc., but the present invention is not limited thereto.
  • a portion of the uncoated portion 43 adjacent to the core side may be cut through a notching process.
  • the core of the electrode assembly is not blocked by the bent portion of the uncoated portion 43 .
  • the core is provided with a cavity formed when a bobbin used for winding the electrode assembly is removed.
  • the cavity may be used as an electrolyte injection passage or a passage for inserting a welding jig.
  • a dashed-dotted line indicates the lowest position at which the uncoated portion 43 is bent.
  • the uncoated portion 43 is bent at a position higher than the one-dotted chain line.
  • the cut portion B of the uncoated portion 43 forms a plurality of winding turns in the radial direction when the electrode 40 is wound.
  • the plurality of winding turns have a predetermined width in the radial direction.
  • the width d of the cutting portion B and the bending length h of the uncoated portion 43 may be adjusted such that the predetermined width is equal to or greater than the bending length h of the uncoated portion 43. . Then, even if the uncoated portion 43 is bent, the core of the electrode assembly is not blocked.
  • a gap G is formed between the cutting line and the insulating coating layer 44. It is desirable to put The gap G is preferably 0.2 mm to 4 mm. When the gap G is adjusted to the corresponding numerical range, it is possible to prevent the active material layer 42 and/or the insulating coating layer 44 from being damaged due to cutting tolerance when the uncoated portion 43 is cut.
  • the width d of the uncoated region cutting portion B is 180 mm to 350 mm depending on the diameter of the electrode assembly core.
  • the cutting portion B of the uncoated portion 43 may not be formed.
  • the electrode 40 of the above-described embodiment may be applied to an anode and/or a cathode included in a jelly roll type electrode assembly.
  • the conventional electrode structure FIG. 1
  • electrode structures applied to the anode and the cathode may not be identical to each other and may be different.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode and the negative electrode active material coated on the negative electrode 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 x, y and z are chosen 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 a, x, y and z are chosen such that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 [M is Ti, Si, Mn, including at least one element selected from Fe,
  • 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 electrode 40 according to the embodiment of the present invention may be applied to the positive and negative electrodes of the jelly roll type electrode assembly.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of a jelly roll-type electrode assembly 50 in which electrodes 40 according to an embodiment of the present invention are applied to positive and negative electrodes cut along the axial direction Y
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the electrode assembly 50 6C is a partial perspective view showing the upper structure
  • FIG. 6C is an axial direction (Y) showing a state in which a plurality of uncoated flags 48c included in the bending target region of the electrode assembly 50 are bent along the radial direction (Z). It is a partial cross-section.
  • the electrode assembly 50 may be manufactured by the winding method described with reference to FIG. 2 .
  • the uncoated portion 41 protruding upward of the electrode assembly 50 extends from the anode 43 .
  • the uncoated portion 42 protruding from the lower portion of the electrode assembly 50 extends from the negative electrode 44 .
  • An upper portion of the electrode assembly 50 is provided with a winding turn portion 48 formed by winding the uncoated portion 41 of the positive electrode 43 .
  • a winding turn portion 49 formed by winding the uncoated portion 42 of the negative electrode 44 is provided at the lower portion of the electrode assembly 50 .
  • the winding turns 48 and 49 are exposed to the outside of the separator 45 along the axial direction Y.
  • the separator 45 is interposed between the anode 43 and the cathode 44 .
  • a length of the active material coated region of the positive electrode 43 in the Y-axis direction may be smaller than a length of the active material coated region of the negative electrode 44 in the Y-axis direction. Accordingly, the active material coated region of the negative electrode 44 may extend longer along the Y-axis direction than the active material coated region of the positive electrode 43 .
  • the insulating coating layer 47 formed on the boundary between the active material regions of the positive electrode 43 and the negative electrode 44 and the uncoated portion may extend to the end of the separator 45 or may be exposed from the end to the outside.
  • the insulating coating layer 47 may serve to support a bending point when the uncoated portions 41 and 42 are bent.
  • stress applied to the active material layer and the separator 45 when the uncoated portions 41 and 42 are bent is relieved.
  • the insulating coating layer 47 can prevent the anode 43 and the cathode 44 from contacting each other to cause a short circuit.
  • the positive electrode 43 includes a current collector and an active material coating layer formed on at least one surface thereof, and the current collector (uncoated portion 41) may have a thickness of 180 um to 220 um.
  • the negative electrode 44 includes a current collector and an active material coating layer formed on at least one surface thereof, and the current collector (uncoated portion 42) may have a thickness of 140 um to 180 um.
  • the separator 45 is interposed between the anode 43 and the cathode 44 and may have a thickness of 8um to 18um.
  • the distance between the uncoated portions 41 located in the winding turns adjacent in the radial direction may be 350 um to 380 um.
  • the distance between the uncoated portions 42 located in the winding turns adjacent in the radial direction may be 350 to 380 um.
  • the number of winding turns of the positive electrode 43 varies depending on the form factor of the cylindrical battery, and may be 48 to 56.
  • the number of winding turns of the negative electrode 44 also depends on the form factor of the cylindrical battery and may be 48 to 56.
  • the uncoated portions 41 and 42 are longer than the uncoated portions applied to the design of the small cylindrical battery.
  • the uncoated portions 41 and 42 may be 6 mm or more, optionally 7 mm or more, optionally 8 mm or more, optionally 9 mm or more, optionally 10 mm or more, optionally 11 mm or more, and optionally 12 mm or more.
  • the winding turn portion 48 of the anode 43 includes cut portions 48a and bent portions 48b alternately disposed along the circumferential direction X.
  • the height of the cut portion 48a in the axial direction (Y) is smaller than the height of the bent portion 48b in the axial direction (Y).
  • the region near the core C of the electrode assembly 50 does not include the bent portion 48b. This is because the uncoated portion on the core side of the anode 43 is low in height (see Fig. 5).
  • the bent portion 48b includes a plurality of uncoated flags 48c arranged along the radial direction Z of the electrode assembly 50 .
  • the plurality of uncoated flags 48c have substantially the same width in the circumferential direction from the core side to the outer circumferential surface side of the electrode assembly 50 .
  • the width of the plurality of uncoated flags 48c in the circumferential direction may gradually increase from the core side of the electrode assembly 50 to the outer circumferential surface side.
  • the bent portion 48b may have a substantially fan-shaped shape when viewed in the axial direction Y.
  • the cutting portion 48a may include first through n-th cutting portions.
  • the first to nth cutting parts may be arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the core C of the electrode assembly 50 .
  • the bent portion 48b may include first through nth bent portions.
  • the first to nth bent parts may be arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the core C of the electrode assembly C.
  • Rotational symmetry refers to symmetry in which the structures are consistent when the electrode assembly 50 is rotated at a predetermined angle along the winding direction.
  • n is 4 because the number of cut portions 48a and bent portions 48b is four.
  • the four cut parts 48a and the four bent parts 48b are 90 degrees rotationally symmetric with respect to the center of the core C of the electrode assembly 50 .
  • n may decrease or increase to 2, 3, 5, 6, 9, and the like. Therefore, the rotational symmetry angle can be changed to 180 degrees, 120 degrees, 75 degrees, 60 degrees, 40 degrees, etc. according to the value of n.
  • the plurality of uncoated flags 48c overlap along the axial direction Y and are bent along the radial direction Z of the electrode assembly 50 to form a flat bending surface area F. there is.
  • the bending length of the uncoated flag 48c closest to the core C may be equal to or smaller than the distance from the point where the corresponding uncoated flag 48c is located to the core C.
  • the bending surface area F may be used as a welding area of the current collecting plate.
  • the bending surface area F includes an area where the uncoated flags 48c are overlapped in several layers along the axial direction Y in order to achieve sufficient welding strength.
  • the cutting portion 48a may include a first cutting surface 51 substantially perpendicular to the axial direction Y.
  • the first cutting surface 51 may be an ultrasonic cutting surface formed by cutting the winding turn portion 48 provided on the upper portion of the electrode assembly 50 perpendicularly to the axial direction Y by an ultrasonic cutting device.
  • An insulating coating layer 47 is provided at the proximal end of the plurality of plain flags 48c, and an axial direction (Y) end of the insulating coating layer 47 extends outward from the axial direction (Y) end of the separator 45 and is exposed. It can be.
  • the first cutting surface 51 may be spaced apart from the end of the insulating coating layer 47 in the axial direction (Y) by an amount corresponding to a cutting tolerance.
  • An axial end of the insulating coating layer 47 in the axial direction (Y) and an axial end of the active material layer included in the negative electrode 44 may be exposed through the first cutting surface 51 when viewed in the axial direction (Y).
  • the electrolyte directly contacts the axial end of the active material layer included in the negative electrode 44 and the axial (Y) end of the insulating coating layer 47 through the first cutting surface 51, thereby improving impregnation (speed and uniformity). ) can be significantly improved.
  • the plurality of uncoated flags 48c may protrude upward from the first cutting surface 51 along the axial direction Y.
  • the plurality of uncoated flags 48c included in the bent portion 48b are bent toward the core C of the electrode assembly 50 along a bending line spaced apart from the first cutting surface 51, so that the bending surface area ( F) form
  • the first cutting surface 51 may be spaced apart from the bending surface area F in the axial direction Y due to the position of the bending line.
  • the bent portion 48b includes second cutting surfaces 52 extending along the sides of the plurality of uncoated flags 48c.
  • the second cutting surface 52 may be an ultrasonic cutting surface formed by cutting the winding turn portion 48 provided on the upper portion of the electrode assembly 50 along the axial direction by an ultrasonic cutting device.
  • the second cutting surface 52 has a state parallel to the axial direction (Y).
  • the second cutting surface 52 is a flat surface, and perpendicularly intersects the first cutting surface 51 with each other.
  • the cutting structure of the winding turn portion 48 provided on the upper part of the electrode assembly 50 can be modified in various ways.
  • FIG. 6D is an upper plan view showing another cutting structure of the winding turn portion 48 provided on the upper part of the electrode assembly 50. Referring to FIG. 6D
  • the second cutting surface 52 perpendicularly intersects the first cutting surface 51, but may have a round shape.
  • the configuration of the ultrasonic cutting device for forming the second cutting surface 52 having a round surface shape will be described later.
  • the eccentricity of the arc (R arc ) where the second cutting surface 52 meets an imaginary plane perpendicular to the axial direction (Y) may be substantially 1. That is, the arc (R arc ) may correspond to the arc of the imaginary circle (R) indicated by a dashed-dotted line. The center of the core (O 1 ) of the electrode assembly 50 and the center (O 2 ) of the imaginary circle (R) may face each other based on the arc (R arc ). In addition, the arc R arc may be substantially symmetric based on a straight line connecting the center O 1 of the core of the electrode assembly 50 and the center O 2 of the imaginary circle R.
  • the circumferential width of the uncoated flag 48c gradually decreases from the core side of the electrode assembly 50 to the outer circumferential side.
  • the bending surface area F is expanded, there is an advantage in securing a wide welding area of the current collecting plate.
  • the structure of the winding turn portion 48 described with reference to FIGS. 6A to 6D may be substantially equally applied to the winding turn portion 49 of the non-coated portion of the cathode 44 exposed at the bottom of the electrode assembly 50 . Therefore, description of the embodiments of the winding turn portion 49 of the uncoated portion of the negative electrode 44 will be omitted.
  • the structure of the winding turns 48 and 49 provided on the upper and lower portions of the electrode assembly 50 is to cut the winding turns 48 and 49 along the axial direction Y of the electrode assembly 50, and then to the axial direction ( It may be formed by cutting along a direction (Z) perpendicular to Y). Of course, it is self-evident that the order of cutting can be reversed.
  • cutting along the axial direction (Y) is referred to as 'vertical cutting'
  • cutting in the axial direction (Y) and the vertical direction (Z) is referred to as 'horizontal cutting'.
  • FIG. 7 and 8 are views showing the structure of the vertical cutter 60 used for vertical cutting of the winding turns 48 and 49 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a plan view of the vertical cutter 60 8 is a cross-sectional view of the vertical cutter 60 along line A-A' in FIG. 7 .
  • the vertical cutter 60 includes a cutter body 61 and a plurality of cutter knives 62, and a plurality of cutter knives 62 are inserted into and fixed to the cutter body 61. Grooves may be provided.
  • the cutter body 61 may be coupled to the horn 63 of the ultrasonic cutting device. The ultrasonic cutting device will be described later.
  • the cutter body 61 is made of a metal material, such as aluminum alloy, titanium alloy, or carbon steel.
  • the cutter knife 62 is made of a metal material, such as carbon steel, alloy iron, high-speed steel, cast alloy, cermet, cubic boron nitride, ceramic, diamond, etc. It is done.
  • Lower ends of the plurality of cutter knives 62 may be embedded in the cutter body 61 .
  • the lower end of the cutter knife 62 may be inserted into a groove formed in the cutter body 61 and then welded to the cutter body 61 .
  • Each of the cutter knives 62 has a strip shape extending outward from the center of the cutter body 61 and standing upright with respect to the surface of the cutter body 61 .
  • the plurality of cutter knives 62 may be arranged to correspond to the edges of the plurality of bending target regions (bend parts).
  • the plurality of cutter knives 62 may form pairs of two and extend outwardly in parallel from the center of the cutter body 61 .
  • An area between the two cutter knives 62 extending in parallel is an area corresponding to the bending target area (bending portion) of the winding turn portion.
  • the plurality of cutter knives 62 are paired by two and extend radially with respect to the center of the cutter body 61, but the angles between the pairs of cutter knives 62 may be substantially the same.
  • the number of cutter knives 62 may total eight. In this case, pairs of radially extending cutter knives 62 form an angle of 90 degrees to each other. As will be described later, the radially extending shape of the pair of cutter knives 62 can be variously modified.
  • the vertical cutter 60 ultrasonically cuts the edges of a plurality of bending target regions (bend parts) arranged along the circumferential direction along the axial direction (Y). Then, as shown in FIG. 6B, while the second cutting surface 52 parallel to the axial direction (Y) is formed along the edge of the plurality of bending target areas (bend parts), within the bending target areas (bend parts).
  • a plurality of non-uniform flags 48c may be defined.
  • the vertical cutter 60 may be included in the ultrasonic cutting device.
  • FIG. 9 is a configuration diagram schematically showing the configuration of an ultrasonic cutting device 70 according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic cutting device 70 may include a converter 71, a booster 72, a horn 73, and a cutter 74.
  • the converter 71 generates ultrasonic vibrations.
  • the converter 71 may include a ceramic vibrator to generate ultrasonic waves.
  • the booster 72 amplifies the ultrasonic wave generated by the converter 71 and transmits it to the horn 73.
  • the horn 73 transfers the ultrasonic vibration amplified by the booster 72 to the cutter 74.
  • the cutter 74 may be the vertical cutter 60 described above.
  • the lower portion of the cutter body 61 of the vertical cutter 60 may be coupled to the horn 73 by bolt/nut fastening, riveting, or welding.
  • the ultrasonic cutting device 70 is a mechanical and/or electronic mechanism for linear movement and/or rotational movement of the horn 73, including a station to which a work piece is fixed; and/or a servo motor and/or a linear motor and/or an air cylinder supporting the linear movement and/or rotational movement of the horn 73; and/or their driving sources; and/or electronic control devices thereof.
  • 10 to 12 are plan views of vertical cutters 60a, 60b, and 60c according to various modifications of the present invention.
  • the vertical cutter 60a may have a structure in which a pair of cutter knives 62 radially extend at an angle of 120 degrees to each other.
  • the vertical cutter 60b may have a structure in which a pair of cutter knives 62 radially extend at an angle of 180 degrees to each other.
  • the vertical cutter 60c may include a cutter knife 62 having an arc shape recessed toward the center of the cutter body 61 .
  • the circular arc shape corresponds to the circular arc of a circle having an eccentricity of 1.
  • the circular arc shape of the cutter knife 62 may be point symmetrical, left-right symmetrical, or up-and-down symmetrical with respect to the center of the cutter body 61 .
  • the cutter knives 62 have a radially extending structure based on the center of the cutter body 61 even though they have an arc shape.
  • the number of cutter knives 62 having an arc shape is not limited to four, and can be adjusted to two or three. In this case, it is preferable that the cutter knives 62 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the cutter body 61 .
  • the cross-sectional structure of the cutter knives 62 included in the vertical cutters 60a, 60b, and 60c of various embodiments is substantially the same as that shown in FIG. 8 and will be used as the cutter 74 of the ultrasonic cutting device 70.
  • the cutter body 61 may be coupled to the horn 73 of the ultrasonic cutting device 70.
  • the winding turns 48 and 49 respectively provided on the upper and lower portions of the electrode assembly 50 rotate in the axial direction Y by the vertical cutters 60, 60a, 60b, and 60c.
  • the area around the bending target area may be cut perpendicularly to the axial direction Y so that the bending target area (bend portion) remains (remains) in a protruding shape along the axial direction Y.
  • the area around the bending target area can be cut by the horizontal cutter 80 .
  • FIG. 13 is a plan view illustrating an example of a horizontal cutter 80 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line BB′ of FIG. 13 .
  • the horizontal cutter 80 may include a cutter knife 81 and a cutter body 82.
  • the horizontal cutter 80 may ultrasonically cut the peripheral area of the plurality of bending target areas spaced apart in the circumferential direction perpendicular to the axial direction (Y).
  • a plurality of uncoated flags 48c protrude along the axial direction Y from the first cutting surface 51 as shown in FIG. 6B.
  • the cutter knife 81 may have a polygonal shape.
  • the polygonal shape may correspond to the shape of the area to be cut. That is, the cutter knife 81 is coupled to the cutter body 82 so as to be placed on a cutting plane perpendicular to the axial direction Y of the electrode assembly 50, and the bending target regions (bend parts) adjacent in the circumferential direction. It may have a shape corresponding to the winding turn area between.
  • the cutter knife 81 when the shape of an area to be cut is a right triangle, the cutter knife 81 has a right triangle shape. In another example, when the shape of the region to be cut is an isosceles triangle with an obtuse angle greater than 90 degrees (for example, 120 degrees) at the vertex facing the hypotenuse, the cutter knife 81 also has an isosceles obtuse triangle shape. In another example, when the shape of the area to be cut is an acute (for example, 60 degree) isosceles triangle in which the interior angle of the vertex facing the hypotenuse is less than 90 degrees, the cutter knife 81 also has an acute isosceles triangle shape. Like the cutter knife 62 of the vertical cutter 60, the lower part of the cutter knife 81 may be embedded in the cutter body 82 or welded to the cutter body 82.
  • the cutter knife 81 of the horizontal cutter 80 may form a first cutting surface 51 perpendicularly meeting the second cutting surface 52 having a flat surface as shown in FIG. 6B.
  • FIG. 15 is a plan view showing an example of a horizontal cutter 90 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line C-C′ of FIG. 15 .
  • the horizontal cutter 90 includes a rotary knife 91 having a disk shape and a cutter body 92.
  • the rotating knife 91 is installed on the rotating mechanism 93 so as to be rotatable in one direction.
  • the rotating shaft of the rotating knife 91 may be fastened to the bearing 94 of the rotating mechanism 93 .
  • the rotation mechanism 93 may be coupled with a motor (not shown) to rotate the cutter knife 91 .
  • the radius of the rotary knife 91 may be substantially the same as the radius of the imaginary circle R shown in FIG. 6D. Referring to FIG. 6D , the rotary knife 91 may form a first cutting surface 51 perpendicularly meeting the second cutting surface 52 having a round shape.
  • the horizontal cutters 80 and 90 may be coupled to the horn 73 as the cutter 74 of the ultrasonic cutting device 70.
  • the manner in which the horizontal cutters 80 and 90 are coupled to the horn 73 is substantially the same as the manner in which the vertical cutter 60 is coupled to the horn 73.
  • the horizontal cutters 80 and 90 approach the winding turns 48 and 49 formed by the uncoated parts on a plane perpendicular to the axial direction Y of the electrode assembly 50, and according to the shape of the cutter knife, the winding turns 48 , 49) can be cut.
  • the rotary knife 91 of the horizontal cutter 90 can be rotated at high speed to cut the winding turns 48 and 49 .
  • the horizontal cutters 80 and 90 are used as the cutter 74 of the ultrasonic cutting device 70, the winding turns 48 and 49 can be cut by the cutter knives 81 and 91 that vibrate ultrasonically. there is.
  • 17 is a view showing a state after forming the cutting line 100 on the winding turns 48 and 49 of the electrode assembly 50 using the vertical cutter 60 according to an embodiment of the present invention.
  • the cutter knife 61 is opposed to the upper surface of the electrode assembly 50 while the vertical cutter 60 is vibrated with ultrasonic waves, and the vertical cutter 60 is moved along the axial direction (Y) to wind the coil.
  • the cutting line 100 is formed at the edge of the bending target region D by cutting the upper portions of the turns 48 and 49 to a predetermined depth.
  • the bending target region D corresponds to a region where the uncoated flags are bent along the radial direction of the electrode assembly 50 for welding with the current collecting plate.
  • the cutting line 100 corresponds to an area where the upper portions of the winding turns 48 and 49 are cut in a line slit shape.
  • the cutting depth may be 2 mm to 10 mm.
  • the lowermost point at which the vertical cutting using the vertical cutter 60 ends is higher than the end of the insulating coating layer 47 exposed to the outside of the separator 45 (point indicated by the arrow) as shown in FIG. 6A in consideration of the cutting tolerance.
  • the horizontal cutter 80 is ultrasonically vibrated while the plane perpendicular to the axial direction Y of the electrode assembly 50 On (XZ), the cutter knife 81 is moved toward the core of the electrode assembly 50 to cut the winding portion between adjacent bending target regions D in the circumferential direction.
  • the position at which the horizontal cutting is performed may be the lowest point at which the vertical cutting ends (a point indicated by an arrow in FIG. 6A) or an upper point thereof.
  • the horizontal cutter 80 moves toward the center of the core C of the electrode assembly 50, an area overlapping with the cutter knife 81 (hatching area) is cut, and the cutter knife 81 cuts the bending target area D When moving to the edge of ), all of the winding turns 48 and 49 around the bending target region D are cut and removed. As a result, the bending target region D remains (remains) in a state of protruding upward from the first cutting surface 51 along the axial direction (Y) direction of the electrode assembly 50 .
  • the bending target region D extends radially along the radial direction when viewed in the axial direction Y of the electrode assembly 50 and may be disposed at the same angle along the circumferential direction.
  • the bending target region D may have a cross shape extending outward from the center of the core of the electrode assembly 50 when viewed in the axial direction Y of the electrode assembly 50 .
  • 19 is a view showing a state after forming the cutting line 100 on the winding turns 48 and 49 of the electrode assembly 50 using the vertical cutter 60c according to an embodiment of the present invention.
  • the cutter knife 61 faces the upper surface of the electrode assembly 50 while ultrasonically vibrating the vertical cutter 60c, and the vertical cutter 60c is moved along the axial direction Y to wind the winding.
  • a cutting line 100 is formed at the edge of the bending target region D by cutting the turns 48 and 49 to a predetermined depth.
  • the cutting line 100 has an arc shape curved toward the center of the core of the electrode assembly 50 .
  • the arc corresponds to the arc of a circle with an eccentricity of 1.
  • the bending target area D has a cross shape and has an arc shape at the edge.
  • the bending target region D corresponds to a region where the uncoated flags are bent along the radial direction of the electrode assembly 50 for welding with the current collecting plate.
  • the cutting line 100 corresponds to a region in which the winding turns 48 and 49 are removed along the axial direction Y of the electrode assembly 50 .
  • the cutting depth may be 2 mm to 10 mm.
  • the lowest point at which the vertical cutting using the vertical cutter 60c ends is higher than the end of the insulating coating layer 47 exposed to the outside of the separator 45 in consideration of the cutting tolerance (point indicated by the arrow). ) is preferred.
  • FIG. 20 is a surface area bent in a plane (XZ plane) perpendicular to the axial direction (Y) of the electrode assembly 50 using a horizontal cutter 90 including a rotary knife 91 according to an embodiment of the present invention.
  • (D) It is a view showing the process of cutting the winding portion around the turn.
  • the rotary knife (91) is moved toward the core of the electrode assembly (50) to cut the turn-around area existing outside the arc-shaped cutting line (100).
  • the position at which the horizontal cutting is performed may be the lowest point at which the vertical cutting ends (a point indicated by an arrow in FIG. 6A) or an upper point thereof.
  • the horizontal cutter 90 moves toward the center of the core of the electrode assembly 50, an area overlapping with the rotating knife 91 (hatching area) is cut, and the rotary knife 91 cuts the edge of the bending target area D.
  • all of the winding turns of the remaining parts except for the bending target region (D) are cut and removed.
  • the bending target region D remains (remains) in a state of protruding upward from the first cutting surface 51 along the axial direction (Y) direction of the electrode assembly 50 .
  • the radius of curvature of the rotary knife 91 of the horizontal cutter 90 may be substantially equal to or smaller than the radius of curvature of the cutting line 100 .
  • the turn-up area outside the cutting line 100 may be cut by combining the linear movement and rotational movement of the rotary knife 91 .
  • 21 to 24 are top plan views showing the arrangement structure of the bending target area D after the winding turns 48 and 49 are cut according to an embodiment of the present invention.
  • the bending target region D protrudes from the first cutting surface 51 perpendicular to the axial direction Y to the top of the electrode assembly 50 .
  • the bending target region D shown in FIGS. 21 to 23 may be formed by sequentially using the vertical cutter 60 and the horizontal cutter 80 . Also, the bending target region D shown in FIG. 24 may be formed by sequentially using a vertical cutter 60c and a horizontal cutter 90 including a rotary knife 91 .
  • the uncoated portion near the core of the electrode assembly 50 is lower than the uncoated portion of the other portions. Therefore, the bending target region D may not be formed near the core.
  • the bending target region D formed by cutting the winding turns 48 and 49 of the electrode assembly 50 includes a plurality of uncoated flags 48c along the radial direction.
  • the plurality of uncoated flags 48c may be bent in a radial direction of the electrode assembly 50, preferably from the outer circumferential side to the core side.
  • the height of the uncoated flag 48c in the axial direction (Y) is adjusted in the range of 2 mm to 10 mm so that when the uncoated flag 48c is bent along the radial direction, the electrode assembly 50 as shown in FIG. 6C At least 3 or more, or at least 4 or more, at least 5 or more, at least 6 or more, at least 7 or more, at least 8 or more, at least 9 or more, or at least 10 or more in the axial direction (Y) of can
  • the bending target region D has a shape protruding from the first cutting surface 51 along the axial direction Y of the electrode assembly 50 and has a structure extending radially along the bending direction.
  • the uncoated flags 48c included in the bending target region D have a narrow width in the circumferential direction. Accordingly, when the uncoated flags 48c included in the bending target region D are bent along the radial direction of the electrode assembly 50, the bending is performed uniformly.
  • the uncoated flags 48c are stacked in several layers along the axial direction Y, the flatness of the bending surface region (F in FIG. 6C) is improved.
  • welding the current collecting plate to the bent surface area F having improved flatness can increase the welding power to sufficiently increase the welding strength and improve the resistance characteristics of the welding interface.
  • the electrode assembly 50 may be applied to a jelly roll type cylindrical battery.
  • the cylindrical battery may be, for example, a cylindrical battery having a form factor ratio (defined as the diameter of the cylindrical battery divided by the height, i.e., the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)) of greater than about 0.4. .
  • a form factor ratio defined as the diameter of the cylindrical battery divided by the height, i.e., the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)
  • the form factor means a value representing the diameter and height of a cylindrical battery.
  • a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention may be, for example, a 46110 battery, a 4875 battery, a 48110 battery, a 4880 battery, or a 4680 battery.
  • the first two numbers represent the diameter of the battery, and the remaining numbers represent the height of the battery.
  • a battery according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.436.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • batteries with a form factor ratio of approximately 0.4 or less have been used. That is, conventionally, for example, 1865 batteries and 2170 batteries have been used.
  • 1865 batteries and 2170 batteries have been used.
  • the diameter is approximately 18 mm
  • the height is approximately 65 mm
  • the form factor ratio is 0.277.
  • the diameter is approximately 21 mm
  • the height is approximately 70 mm
  • the form factor ratio is 0.300.
  • 25A is a cross-sectional view of a cylindrical battery 190 cut along an axial direction Y according to an embodiment of the present invention.
  • a cylindrical battery 190 includes an electrode assembly 110 including a positive electrode, a separator, and a negative electrode wound in a jelly roll shape, and a battery housing accommodating the electrode assembly 110. 142 and a seal 143 sealing the open end of the battery housing 142.
  • the electrode assembly 110 has the structure of the above-described embodiment.
  • the battery housing 142 is a cylindrical container with an opening formed thereon.
  • the battery housing 142 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, or stainless steel.
  • the battery housing 142 accommodates the electrode assembly 10 in the inner space through the top opening and also accommodates the electrolyte.
  • a Ni coating layer may be formed on the outer and/or inner surface of the battery housing 142 .
  • 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 SO 3 -- , (CF 3 SO 2 ) 2 N -- , (FSO 2 ) 2 N -- ,
  • 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 electrode assembly 110 may have a jelly roll shape. As shown in FIG. 2, the electrode assembly 110 is formed by sequentially stacking a lower separator, an anode, an upper separator, and a negative electrode at least once. can be manufactured.
  • An anode uncoated portion 146a and a cathode uncoated portion 146b protrude from the upper and lower portions of the electrode assembly 110, respectively.
  • the uncoated portion 146a of the positive electrode forms the turn portion 48 at the upper portion of the electrode assembly 110
  • the uncoated portion 146b of the negative electrode forms the turn portion 49 at the lower portion of the electrode assembly 110.
  • the winding turns 48 and 49 include bent parts and cut parts that are alternately disposed along the circumferential direction. Examples of the bending portion and the cutting portion have been described above with reference to FIGS. 6B and 6D.
  • the sealing body 143 provides airtightness between the cap 143a, the cap 143a and the battery housing 142 and electrically and mechanically connects the sealing gasket 143b having insulation and the cap 143a.
  • a plate 143c may be included.
  • the cap 143a is a component made of a conductive metal material and covers an upper opening of the battery housing 142 .
  • the cap 143a is electrically connected to the bent portion 48b of the positive electrode winding portion 48 and electrically insulated from the battery housing 142 through a sealing gasket 143b. Accordingly, the cap 143a can function as a positive electrode terminal of the cylindrical battery 140 .
  • the cap 143a is seated on the beading portion 147 formed in the battery housing 142 and fixed by the crimping portion 148 .
  • a sealing gasket 143b may be interposed between the cap 143a and the crimping portion 148 to ensure airtightness of the battery housing 142 and to electrically insulate the battery housing 142 and the cap 143a.
  • the cap 143a may include a protruding portion 143d protruding upward from the center thereof.
  • the battery housing 142 is electrically connected to the bent portion of the negative electrode winding portion 49 . Therefore, the battery housing 142 has the same polarity as the negative electrode.
  • the battery housing 142 has a beading part 147 and a crimping part 148 at the top.
  • the beading portion 147 is formed by press fitting around the outer circumferential surface of the battery housing 142 .
  • the beading part 147 prevents the electrode assembly 110 accommodated inside the battery housing 142 from escaping through the top opening of the battery housing 142, and may function as a support on which the sealing body 143 is seated. .
  • the crimping portion 148 is formed above the beading portion 147 .
  • the crimping portion 148 has an extended and bent shape to surround the outer circumferential surface of the cap 143a disposed on the beading portion 147 and a portion of the upper surface of the cap 143a.
  • the cylindrical battery 190 may further include a first collector plate 144 and/or a second collector plate 145 and/or an insulator 146 .
  • 25B and 25C are top plan views showing structures of the first current collector plate 144 and the second collector plate 145, respectively.
  • the first current collecting plate 144 is coupled to the upper portion of the electrode assembly 110 .
  • the first current collecting plate 144 is made of a conductive metal material such as aluminum, copper, or nickel.
  • the first collector plate 144 is welded to the welding target region of the bent surface region (F in FIG. 6C) formed by bending the uncoated flags included in the bent portion of the winding turn portion 48 of the anode.
  • the average number of uncoated flags stacked in the axial direction (Y) of the electrode assembly 110 may be 5 or more.
  • the average stacking thickness of the uncoated flags may be 50 um or more.
  • the first current collector plate 144 includes a support portion 144a, a plurality of leg portions 144b extending outwardly from the support portion 144a, and extending outwardly from the support portion 144a between adjacent leg portions 144b.
  • a lead part 149 may be included. The lead part 149 may extend from any one of the leg parts 144b, unlike shown.
  • the support portion 144a is seated near the core of the electrode assembly 110, and the plurality of leg portions 144b may be welded to the welding target region of the bent surface region while seated on the bent surface region.
  • a hole H 1 is provided at the center of the support portion 144a.
  • the electrolyte may be injected through the hole H 1 .
  • the diameter of the hole H 1 is more than 0.5 times the diameter of the cavity in the core of the electrode assembly 110 . If the diameter of the hole H 1 is smaller than the diameter of the cavity in the core, when a vent occurs in the cylindrical battery 190, it is possible to prevent the electrode or separator from escaping through the cavity of the core.
  • a welding jig can be easily inserted in the process of welding the second current collector plate 145 to the bottom of the battery housing 142, and the electrolyte solution Injection can be made smoothly.
  • the lead part 149 may extend upward from the electrode assembly 110 and be coupled to the connection plate 143c or directly coupled to the lower surface of the cap 143a.
  • the connection plate 143c may be coupled to the lower surface of the cap 143a.
  • the lead part 149 and other components may be coupled through welding.
  • the coupling between the bent surface area formed by bending the uncoated flags and the first current collector plate 144 may be performed by laser welding.
  • Laser welding can be replaced with resistance welding or ultrasonic welding.
  • a plate-shaped second current collecting plate 145 may be coupled to the lower surface of the electrode assembly 110 .
  • the second current collector plate 145 is provided inside a support portion 145a having a hole H 2 , a plurality of leg portions 145b extending outwardly from the support portion 145a, and a hole H 2 to form a battery housing 142 ) may include a connection part 145c coupled to the bottom surface of the bridge part 145d connecting the connection part 145c and the support part 145a.
  • the second current collecting plate 145 is made of a conductive metal material such as aluminum, copper, or nickel.
  • the support portion 145a is seated near the core on the lower surface of the electrode assembly 110 .
  • the plurality of leg portions 145b are welded to the welding target region of the bent surface region formed by bending the uncoated flags of the cathode winding portion 49 .
  • the connection part 145c may be welded on the inner bottom surface of the battery housing 142 .
  • the diameter of the connecting portion 145c is larger than the diameter of the cavity in the core of the electrode assembly 110 .
  • the bridge part 145d connects the inner surface of the hole H 2 and the outer surface of the connection part 145c.
  • the bridge portion 145d functions to absorb vibration or stress when vibration or stress is applied to the second current collecting plate 145 .
  • the width or thickness of the bridge portion 145d may be partially reduced. Then, when an overcurrent flows through the bridge portion 145d, the bridge portion 145d is melted and disconnected, so that the overcurrent can be blocked.
  • the average number of uncoated flags stacked in the axial direction (Y) of the electrode assembly 110 may be 5 or more.
  • the average stacking thickness of the uncoated flags may be 50 um or more.
  • a welding pattern W 1 formed on the leg portion 144b of the first current collecting plate 144 and a welding pattern formed on the leg portion 145b of the second current collecting plate 145 (W 2 ) may start from a point spaced apart from the center of the core of the electrode assembly 110 by a substantially equal distance and extend in a radial direction.
  • the radial length of the welding pattern (W 1 ) may be the same as or different from the radial length of the welding pattern (W 2 ).
  • the welding patterns W 1 and W 2 may be continuous or discontinuous arrays of welding beads.
  • the insulator 146 may cover the first current collecting plate 144 .
  • the insulator 146 may prevent direct contact between the first current collecting plate 144 and the inner circumferential surface of the battery housing 142 by covering the first current collecting plate 144 on the upper surface of the first current collecting plate 144 . .
  • the insulator 146 has a lead hole 151 through which the lead portion 149 extending upward from the first current collecting plate 144 can be drawn out.
  • the lead portion 149 is drawn upward through the lead hole 151 and coupled to the lower surface of the connecting plate 143c or the lower surface of the cap 143a.
  • An area around the edge of the insulator 146 may be interposed between the first current collecting plate 144 and the beading portion 147 to fix the combination of the electrode assembly 110 and the first current collecting plate 144 . Accordingly, the assembly of the electrode assembly 110 and the first current collecting plate 144 is limited in movement in the axial direction (Y), so that assembly stability of the cylindrical battery 190 can be improved.
  • the insulator 146 may be made of an insulating polymer resin.
  • insulator 146 may be made of polyethylene, polypropylene, polyimide or polybutyleneterephthalate.
  • the battery housing 142 may further include a venting portion 152 formed on a lower surface thereof.
  • the venting portion 152 corresponds to an area of the lower surface of the battery housing 142 having a smaller thickness than the surrounding area.
  • the vent 152 is structurally weak compared to the surrounding area. Therefore, when an abnormality occurs in the cylindrical battery 190 and the internal pressure increases to a predetermined level or more, the venting part 152 is ruptured and the gas generated inside the battery housing 142 may be discharged to the outside.
  • the venting portion 152 may be continuously or discontinuously formed on the lower surface of the battery housing 142 in a circular motion.
  • the vents 152 may be formed in a rectilinear pattern or some other pattern.
  • connection portion 145c of the second current collecting plate 145 is larger than the diameter of the cavity in the core of the electrode assembly 110, the venting portion 152 is ruptured and the gas generated inside the battery housing 142 is released. When discharged to the outside, it is possible to prevent electrodes or separators near the core from escaping.
  • 26A is a cross-sectional view of a cylindrical battery 200 according to another embodiment of the present invention taken along the axial direction (Y).
  • the cylindrical battery 200 is different from the cylindrical battery 190 shown in FIG. 25A in that the structure of the electrode assembly is substantially the same and the structure except for the electrode assembly is changed.
  • the cylindrical battery 200 includes a battery housing 171 through which a terminal 172 is installed.
  • the terminal 172 may be a rivet terminal in which an edge of one end is riveted to the inner surface of the closed portion of the battery housing 171 .
  • the terminal 172 is installed in the closed portion (upper part of the drawing) of the battery housing 171 .
  • the terminal 172 is riveted to the through hole of the battery housing 171 with the insulating gasket 173 interposed therebetween.
  • the terminal 172 is exposed to the outside in a direction opposite to the direction of gravity.
  • the terminal 172 includes a terminal exposed portion 172a and a terminal inserted portion 172b.
  • the terminal exposed portion 172a is exposed to the outside of the closed portion of the battery housing 171 .
  • the terminal exposed portion 172a may be located at approximately the center of the closed portion of the battery housing 171 .
  • the maximum diameter of the terminal exposed portion 172a may be larger than the maximum diameter of the through hole formed in the battery housing 171 .
  • the terminal insertion portion 172b may be electrically connected to the bent portion of the positive electrode winding portion 48 through a substantially central portion of the closed portion of the battery housing 171 .
  • the portion where the electrical connection is made is a bending surface area formed by bending the uncoated flags of the anode winding portion 48 .
  • the terminal insertion portion 172b may be rivet-coupled to the inner surface of the closed portion of the battery housing 171 . That is, the end edge of the terminal insertion portion 172b may be bent toward the inner surface of the battery housing 171 by being pressed by a caulking jig. The maximum diameter of the end of the terminal insertion portion 172b may be greater than the maximum diameter of the through hole of the battery housing 171 .
  • the lower surface of the terminal insertion portion 172b is substantially flat and may be welded to the first collector plate 144' connected to the bent portion of the positive electrode winding portion 48.
  • 26B is a top plan view showing the structure of the first current collecting plate 144'.
  • the first current collecting plate 144' has substantially the same structure as the current collecting plate 145 shown in FIG. 25C. That is, the first current collecting plate 144' includes a support portion 144a' including a hole H 3 , a plurality of leg portions 144b' extending in a radial direction from the support portion 144', and a hole H 3 ) It may include a connection part 144c' provided inside and a bridge part 144d' connecting the support part 144a' and the connection part 144c'.
  • connection portion 144c' of the first current collecting plate 144' may be welded to a flat lower end of the terminal insertion portion 172b of the terminal 172.
  • the plurality of leg portions 144b' may be welded to a welding target area defined in the bending surface area of the anode winding turn portion 48.
  • an insulator 174 made of an insulating material may be interposed between the first current collecting plate 144 ′ and the inner surface of the battery housing 171 .
  • the insulator 174 covers an upper portion of the first current collecting plate 144' and an upper edge portion of the electrode assembly 110. Accordingly, it is possible to prevent a short circuit from being caused by contacting the inner surface of the battery housing 171 having a different polarity with the first current collecting plate 144'.
  • the terminal insertion portion 172b of the terminal 172 may pass through the insulator 174 and be welded to the first collector plate 144'.
  • the insulator 174 is made of an insulating polymer resin.
  • the insulating gasket 173 is interposed between the battery housing 171 and the terminal 172 to prevent electrical contact between the battery housing 171 and the terminal 172 having opposite polarities.
  • the upper surface of the battery housing 171 having a substantially flat shape can function as a negative electrode terminal of the cylindrical battery 200 .
  • the insulating gasket 173 includes a gasket exposed portion 173a and a gasket inserted portion 173b.
  • the gasket exposed portion 173a is interposed between the terminal exposed portion 172a of the terminal 172 and the battery housing 171 .
  • the gasket insertion portion 173b is interposed between the terminal insertion portion 172b of the terminal 172 and the battery housing 171 .
  • the gasket insertion portion 173b may be deformed together during riveting of the terminal insertion portion 172b and adhered to the inner surface of the battery housing 171 .
  • the insulating gasket 173 may be made of, for example, a polymer resin having insulating properties.
  • the gasket exposed portion 173a of the insulating gasket 173 may have an extended shape to cover the outer circumferential surface of the terminal exposed portion 172a of the terminal 172 .
  • the gasket exposed portion 173a may have an extended shape to cover not only the outer circumferential surface of the terminal exposed portion 172a but also a portion of the upper surface thereof.
  • the insulating gasket 173 may be coupled to the battery housing 171 and the terminal 172 by thermal fusion. In this case, airtightness at the bonding interface between the insulating gasket 173 and the terminal 172 and at the bonding interface between the insulating gasket 173 and the battery housing 171 may be enhanced. Meanwhile, in the case where the gasket exposed portion 173a of the insulating gasket 173 extends to the upper surface of the terminal exposed portion 172a, the terminal 172 is integrally formed with the insulating gasket 173 by insert injection molding. can be combined
  • the area 175 other than the area occupied by the terminal 172 and the insulating gasket 173 corresponds to an electrode terminal having a polarity opposite to that of the terminal 172.
  • 26C is a perspective view showing the structure of the second current collecting plate 176.
  • the second current collecting plate 176 is coupled to the lower portion of the electrode assembly 110 .
  • the second current collecting plate 176 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, copper, or nickel.
  • the second current collecting plate 176 may be coupled to a welding target region of a bent surface region formed on the negative electrode winding portion 49 through welding.
  • the second current collector plate 176 includes a support portion 176a and a plurality of leg portions 176b extending in a radial direction from the support portion 176a and welded to a welding target region.
  • the support part 176a includes a hole H 4 in the center. Electrolyte may be injected through the hole H 4 .
  • the diameter of the hole H 4 is 0.5 times greater than the diameter of the cavity in the core of the electrode assembly 110 .
  • the function of the hole H 4 is substantially the same as that of the hole H 1 described above.
  • the second current collecting plate 176 may be electrically connected to the battery housing 171 .
  • at least a portion of an edge portion of the second current collecting plate 176 may be interposed and fixed between the inner surface of the battery housing 171 and the sealing gasket 178b.
  • the second current collector plate 176 includes a housing connector 176c.
  • the housing connection part 176c includes a connection part 176c2 extending obliquely from the end of the leg part 176b toward the lower surface of the beading part 180 and a contact part 176c1 disposed on the lower surface of the beading part 180. do.
  • the connecting portion 176c2 may extend from the region of the support portion 176a between the leg portions 176b.
  • the contact portion 176c1 may extend in an arc shape along the circumferential direction of the beading portion 180 to increase a contact area with the beading portion 180 .
  • At least a portion of the edge of the second current collecting plate 176 is supported on the bottom surface of the beading portion 180 formed at the bottom of the battery housing 171 and welded to the beading portion 180. ) can be fixed. In a modified example, at least a portion of an edge portion of the second current collector plate 176 may be directly welded to the inner wall surface of the battery housing 171 .
  • the second current collecting plate 176 and the welding target area included in the bent surface area of the negative electrode winding portion 49 may be coupled by laser welding.
  • the welding is performed in an area where the average number of stacked flags in the uncoated area is 5 or more in the axial direction (Y) in the bending surface area or in an area where the average stacked thickness of the flags in the uncoated area is 25 ⁇ m or more.
  • Laser welding can be replaced by resistance welding, ultrasonic welding, spot welding, and the like.
  • the welding pattern W 1 formed on the leg portion 144b' of the first current collecting plate 144 ' and the welding pattern W 2 formed on the leg portion 176b of the second current collecting plate 176 are It may start from a point spaced apart from the center of the core of the electrode assembly 110 by a substantially equal distance and extend in a radial direction.
  • the radial length of the welding pattern (W 1 ) may be the same as or different from the radial length of the welding pattern (W 2 ). In one example, the radial length of the welding pattern W 1 is longer than the radial length of the welding pattern W 2 .
  • At least one welding pattern W 3 is also formed on the contact portion 176c1 of the second current collecting plate 176 .
  • the welding pattern (W 3 ) may have a shape of a straight line or an arc.
  • the welding patterns (W 1 , W 2 , W 3 ) may be continuous welding beads or discontinuous arrays of welding beads.
  • the sealing body 178 sealing the lower open end of the battery housing 171 includes a cap 178a and a sealing gasket 178b.
  • the sealing gasket 178b electrically separates the cap 178a and the battery housing 171.
  • the crimping portion 181 fixes the edge of the cap 178a and the sealing gasket 178b together.
  • the cap 178a is provided with a vent 179.
  • the configuration of the vent portion 179 is substantially the same as that of the above-described embodiment.
  • the cap 178a is made of a conductive metal material.
  • the sealing gasket 178b is interposed between the cap 178a and the battery housing 171, the cap 178a has no electrical polarity.
  • the sealing body 178 serves to seal the open end of the lower portion of the battery housing 171 and to discharge gas when the internal pressure of the battery 200 increases above a critical value.
  • the cap 178a may include a vent portion 179 at an edge area of the flat portion. The configuration of the vent portion 179 is substantially the same as that of the foregoing embodiment.
  • the terminal 172 electrically connected to the bent portion of the positive electrode winding portion 48 through the first current collector plate 144' is used as the first electrode terminal.
  • the portion 175, excluding the terminal 172, of the upper surface of the battery housing 171 electrically connected to the bent portion of the negative electrode winding portion 49 through the second current collecting plate 176 has a polarity with the first electrode terminal. This is used as the other second electrode terminal.
  • an electrical connection component such as a bus bar on only one side of the cylindrical battery 200. This can lead to simplification of the battery pack structure and improvement of energy density.
  • portion 175 used as the second electrode terminal has a substantially flat shape, a sufficient bonding area can be secured for bonding electrical connection components such as bus bars. Accordingly, in the cylindrical battery 200, resistance at the junction of the electrical connecting parts can be reduced to a desired level.
  • the uncoated portion constituting the winding turn near the core has a low height. Therefore, even if the uncoated flags of the bending target region D are bent toward the center of the core C of the electrode assembly 110, the cavity 112 of the core C may be opened upward without being blocked.
  • a welding process between the current collector plate 145 and the bottom of the battery housing 142 or between the current collector plate 144′ and the terminal 172 can be easily performed by inserting a welding jig through the cavity 112. .
  • a cylindrical battery according to the above-described embodiments (modifications) can be used to manufacture a battery pack.
  • FIG. 27 is a diagram schematically illustrating the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 300 includes an assembly to which cylindrical batteries 301 are electrically connected and a pack housing 302 accommodating them.
  • the cylindrical battery 301 may be any one of the batteries according to the above-described embodiments (modifications).
  • parts such as a bus bar, a cooling unit, and external terminals for electrically connecting the cylindrical batteries 301 are omitted.
  • the battery pack 300 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. 28 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack 300 of FIG. 27 .
  • a vehicle V according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V operates by receiving power from the battery pack 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the bending target region of the uncoated region having a protruding shape along the axial direction of the electrode assembly is formed in a pattern extending along the bending direction, and the uncoated region flags of the bending target region are bent to bend the uncoated region. It is possible to improve the flatness of the surface, and it is possible to alleviate a phenomenon in which the uncoated portion is irregularly bent at the bottom of the bent surface.
  • the electrolyte impregnation is improved.
  • the energy density of the cylindrical battery can be increased accordingly.
  • a plurality of uncoated flags formed in the bending target region are bent along the radial direction of the electrode assembly, resulting in a bending surface in which the uncoated flags are overlapped in several layers.
  • resistance of the cylindrical battery may be reduced by welding a current collector plate to the region.
  • an ultrasonic cutting device including a vertical cutter and a horizontal cutter
  • the winding turn portion of the uncoated portion can be easily cut so that the bending target region remains protruded in the axial direction of the electrode assembly.
  • productivity and manufacturing cost of the electrode assembly can be reduced by providing a method for easily cutting the turn portion of the uncoated portion so that the bending target region remains protruded in the axial direction of the electrode assembly.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 조립체는, 2개의 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취된 전극 조립체로서, 전극들 중 적어도 하나의 장변 단부에 축방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 전극 조립체의 일측 단부에 상기 무지부의 권취턴부가 구비되고, 상기 권취턴부는 원주 방향을 따라 교호로 배치된 절단부 및 절곡부를 포함하고, 상기 절단부의 축방향 높이는 상기 절곡부의 축방향 높이보다 작고, 상기 절곡부는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 배열된 복수의 무지부 플래그를 포함하고, 상기 복수의 무지부 플래그는 축방향을 따라 중첩되면서 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡될 수 있다.

Description

전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 대한민국에 2021년 11월 24일에 출원된 특허출원 제10-2021-0163807호와 2022년 08월 26일에 출원된 특허출원 제10-2022-0107707호에 대해 우선권을 주장하며, 우선권의 기초가 된 출원에 기재된 발명은 본 명세서의 일부로서 합체될 수 있다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지, 즉, 단위 배터리의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 단자는 전지 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 단자는 전지 하우징이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865이나 2170의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전 플레이트를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)이 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 분리막(12)의 단변 방향을 기준으로 서로 반대 방향으로 배치된다. 양극(10)과 음극(11)의 위치는 도시된 것과 반대로 변경될 수 있다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)과 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a,11a)에 집전 플레이트(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전 플레이트(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리에서, 무지부(10a,11a)와 집전 플레이트(30,31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a,11a)의 용접 지점에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다.
무지부(10a, 11a)의 절곡시에는 무지부(10a, 11a)를 전극 조립체(A)의 코어 방향으로 가압하는 지그가 사용된다.
도 4는 지그를 이용하여 무지부(10a, 11b)를 반경 방향을 따라 코어측으로 절곡시켰을 때 절곡 부위의 일부를 전극 조립체(A)의 길이 방향으로 잘라서 무지부(10a, 11a)의 절곡 형상을 확대 촬영한 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 무지부(10a, 11a)의 절곡 형상은 균일하지 않으며, 무지부(10a, 11b)가 불규칙하게 변형되면서 절곡된 것을 확인할 수 있다. 특히, 전극 조립체(A)의 코어 측으로 갈수록 무지부(10a, 11a)의 변형 정도가 심해진다. 그 이유는, 전극 조립체(A)의 코어 측에 가깝게 위치한 무지부(10a, 11a)일수록 지그에 의해 가해지는 응력이 더 커지기 때문이다.
무지부(10a, 11a)의 절곡이 불규칙하게 이루어지면, 절곡 표면이 평평하지 않으므로 집전 플레이트(30, 31)의 용접이 용이하지 않다. 또한, 절곡 표면 아래에서 무지부(10a, 11a)가 불규칙하게 변형되면 무지부(10a, 11a)의 불규칙한 변형을 초래한 응력이 근처에 있는 분리막에까지 영향을 미치면서 분리막이 찢어지거나 활물질층이 깨지면서 내부 단락이 유발될 수 있다. 내부 단락이 생기면 과전류가 흐르면서 원통형 배터리의 온도가 급격하게 상승하며, 그 결과 원통형 배터리가 발화하거나 폭발할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리의 무지부를 절곡함에 있어서 무지부의 절곡 형상을 균일하게 만들 수 있는 전극 조립체 제조 방법 및 장치, 그리고 그 방법 및 장치에 의해 제조된 전극 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 방법으로 제조된 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소되며 전해질 함침성이 개선될 수 있는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 조립체는, 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 장변 단부에 상기 전극 조립체의 축방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 전극 조립체의 일측 단부에 상기 무지부의 권취턴부가 구비되고, 상기 권취턴부는 원주 방향을 따라 교호로 배치된 절단부 및 절곡부를 포함하고, 상기 절단부의 축방향 높이는 상기 절곡부의 축방향 높이보다 작고, 상기 절곡부는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 배열된 복수의 무지부 플래그를 포함하고, 상기 복수의 무지부 플래그는 축방향을 따라 중첩되면서 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
상기 절단부는 상기 축방향과 실질적으로 수직을 이루는 제1커팅면을 포함할 수 있다. 상기 제1커팅면은 초음파 커팅면일 수 있다.
상기 무지부 플래그의 기단부에는 절연 코팅층이 구비되고, 상기 절연 코팅층의 축방향 단부는 상기 분리막의 축방향 단부의 외측으로 연장되어 노출되고, 상기 제1커팅면은 상기 절연 코팅층의 축방향 단부와 이격될 수 있다.
상기 축방향에서 보았을 때, 상기 절연 코팅층의 축방향 단부와 상기 양극 또는 상기 음극에 포함된 활물질층의 축방향 단부가 상기 제1커팅면을 통해 노출될 수 있다.
상기 복수의 무지부 플래그는 상기 제1커팅면으로부터 상기 축방향을 따라 돌출될 수 있다.
상기 복수의 무지부 플래그는 상기 제1커팅면으로부터 이격된 절곡 라인을 따라 상기 전극 조립체의 코어 방향을 향해 절곡되어 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
상기 전극 조립체의 코어와 가장 인접한 무지부 플래그의 절곡 길이는 해당 무지부 플래그의 위치로부터 상기 코어까지의 거리보다 작거나 같을 수 있다.
상기 제1커팅면은 상기 절곡 표면영역과 이격될 수 있다.
상기 절곡부는 상기 복수의 무지부 플래그의 측변을 따라 연장된 제2 커팅면을 포함할 수 있다. 상기 제2커팅면은 초음파 커팅면일 수 있다.
상기 제2커팅면은 상기 축방향과 평행할 수 있다.
상기 제1커팅면과 상기 제2커팅면은 서로 수직으로 교차할 수 있다.
상기 제2커팅면은 평평한 면일 수 있다.
상기 제2커팅면은 라운드진 면일 수 있다.
상기 축방향과 수직을 이루는 가상의 면과 상기 라운드진 면이 만나는 원호의 이심율은 실질적으로 1일 수 있다.
상기 원호를 포함하는 가상의 원의 중심과 상기 전극 조립체의 코어 중심은 상기 원호를 기준으로 서로 대향할 수 있다.
상기 원호를 포함하는 가상의 원의 중심과 상기 전극 조립체의 코어 중심을 연결한 직선을 기준으로 상기 원호는 실질적으로 대칭일 수 있다.
상기 복수의 무지부 플래그는 원주 방향의 폭이 상기 전극 조립체의 코어측으로부터 외주면 측으로 가면서 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 복수의 무지부 플래그는 원주 방향의 폭이 상기 전극 조립체의 코어측으로부터 외주면 측으로 가면서 점진적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
상기 절단부는 제1 내지 제n절단부를 포함하고, 상기 제1 내지 제n절단부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다.
상기 제1 내지 제n절단부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 절곡부는 제1 내지 제n절곡부를 포함하고, 상기 제1 내지 제n절곡부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다.
상기 제1 내지 제n절곡부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 절곡 표면영역은 상기 축방향을 따라 3장 이상의 무지부 플래그들이 중첩된 영역을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 조립체 제조 방법은, (a) 쉬트 형상을 가지며 장변 단부에 무지부를 구비한 양극 및 음극을 준비하는 단계; (b) 상기 양극 및 상기 음극 사이에 분리막이 개재되도록 상기 양극, 상기 음극 및 상기 분리막을 적어도 1회 적층시키되, 상기 양극 무지부와 상기 음극 무지부가 상기 분리막의 단변 방향을 따라 서로 반대로 노출되도록 상기 전극-분리막 적층체를 형성하는 단계; (c) 상기 전극-분리막 적층체를 일 축을 중심으로 권취시켜 상기 양극 무지부의 권취턴부 및 상기 음극 무지부의 권취턴부가 축방향을 따라 서로 반대 방향으로 노출되도록 전극 조립체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 양극 무지부의 권취턴부 및 상기 음극 무지부의 권취턴부 중 적어도 어느 하나를 커팅하되, 적어도 하나의 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 권취턴부를 커팅함으로써 상기 절곡 타겟 영역 내에 복수의 무지부 플래그를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 절곡 타겟 영역에 포함된 복수의 무지부 플래그들을 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡시켜 절곡 표면영역을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계는, 상기 전극 조립체의 축방향을 따라서 상기 절곡 타겟 영역의 가장자리를 커팅하는 제1커팅 단계; 및 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅하는 제2커팅 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1커팅 단계에서, 상기 전극 조립체의 축방향으로 초음파 진동을 하는 수직 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역의 가장자리를 커팅할 수 있다.
상기 절곡 타겟 영역의 가장자리에 대한 커팅 라인은 복수이고, 상기 전극 조립체의 축방향에서 보았을 때 복수의 커팅 라인은 2개씩 쌍을 이루면서 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다.
상기 절곡 타겟 영역의 가장자리에 대한 커팅 라인은 복수이고, 상기 전극 조립체의 축방향에서 보았을 때 복수의 커팅 라인 각각은 상기 전극 조립체의 코어 중심을 향해 만곡된 원호 형상을 가질 수 있다.
상기 제2커팅 단계에서, 상기 전극 조립체의 축방향과 수직으로 초음파 진동을 하는 수평 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅할 수 있다.
상기 제2커팅 단계에서, 상기 전극 조립체의 축방향과 수직인 평면에서 회전을 하는 수평 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅할 수 있다.
상기 제2커팅 단계에서, 상기 전극 조립체의 축방향과 수직인 평면에서 회전을 하며 상기 평면을 따라 초음파 진동을 하는 수평 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅할 수 있다.
상기 (e) 단계에서, 상기 축방향을 따라 적어도 3개 이상의 무지부 플래그들이 중첩된 영역이 상기 절곡 표면영역에 포함되도록 상기 복수의 무지부 플래그를 절곡할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 커팅 장치는, 장변 단부에 무지부가 포함된, 양극 및 음극과, 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취된 전극 조립체의 일측 단부에 노출된 무지부의 권취턴부를 커팅 가공하는 초음파 커팅 장치로서, 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 배치되는 복수의 절곡 타겟 영역의 가장자리를 축방향을 따라 초음파 커팅하여 상기 절곡 타겟 영역 내에 복수의 무지부 플래그를 형성하는 수직 커터; 및 상기 복수의 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 초음파 커팅하여 상기 복수의 무지부 플래그를 상기 축방향을 따라 초음파 커팅면으로부터 돌출시키는 수평 커터를 포함할 수 있다.
상기 수직 커터는, 커터 바디; 및 상기 커버 바다에 결합된 복수의 커터 나이프를 포함하고, 상기 복수의 커터 나이프는 상기 복수의 절곡 타겟 영역의 가장자리에 대응하도록 배치될 수 있다.
상기 수평 커터는, 커터 바디; 및 상기 커터 바디에 결합된 커터 나이프를 포함하고, 상기 커터 나이프는 상기 축방향과 수직을 이루는 커팅 평면 상에 놓이도록 상기 커터 바디에 결합되고 상기 원주 방향으로 인접하는 절곡 타겟 영역들 사이의 권취턴부 영역에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
상기 원주 방향으로 인접하는 절곡 표면영역들 사이의 권취턴부 영역은 상기 전극 조립체의 코어를 향해 만곡된 부분을 포함하고, 상기 커터 나이프는 상기 만곡된 부분의 곡률 반경과 실질적으로 동일한 반경을 가지는 원반 형태의 회전 나이프일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 배터리는, (a) 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 장변 단부에 상기 전극 조립체의 축방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 전극 조립체의 일측 단부에 상기 무지부의 권취턴부를 포함하고, 상기 권취턴부는 원주 방향을 따라 교호로 배치된 절단부 및 절곡부를 포함하고, 상기 절단부의 축방향 높이는 상기 절곡부의 축방향 높이보다 작고, 상기 절곡부는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 배열된 복수의 무지부 플래그를 포함하고, 상기 복수의 무지부 플래그는 축방향을 따라 중첩되면서 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡 표면영역을 형성하는, 전극 조립체; (b) 개방단부와 이와 대향되는 폐쇄부를 포함하고, 상기 개방단부를 통해 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 음극과 전기적으로 연결된 전지 하우징; (c) 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체; (d) 상기 양극과 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 단자; 및 (e) 상기 절곡 표면영역에 용접되고, 상기 전지 하우징 또는 상기 단자 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 집전 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 단자는 상기 전지 하우징의 폐쇄부에 형성된 관통홀에 설치된 리벳 단자이고, 상기 리벳 단자와 상기 관통홀 사이에 절연 가스켓이 개재될 수 있다.
상기 리벳 단자는 상기 집전 플레이트에 용접될 수 있다.
상기 집전 플레이트는, 홀을 포함하는 지지부; 상기 지지부로부터 반경 방향을 따라 연장되며 상기 절곡 표면영역에 용접되는 적어도 하나 이상의 레그부; 상기 홀의 내측에 구비된 접속부; 및 상기 지지부와 상기 접속부를 연결하는 브릿지부를 포함할 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 전지 하우징의 개방단부가 상기 코어를 향해 절곡되어 형성된 클림핑부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 밀봉체는 상기 전지 하우징의 개방단부를 커버하는 캡과, 상기 캡과 상기 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하고, 상기 클림핑부는 상기 밀봉 가스켓을 상기 캡의 가장자리를 향해 압착할 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 상기 전지 하우징의 개방단부에 인접한 영역에 비딩부를 더 포함하고, 상기 집전 플레이트의 가장자리의 적어도 일부는 상기 비딩부의 내측면과 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 비딩부의 내측면과 결합될 수 있다.
상기 집전 플레이트의 가장자리의 적어도 일부는 상기 비딩부의 내측면에 용접될 수 있다.
상기 집전 플레이트는, 지지부; 상기 지지부로부터 반경 방향을 따라 연장되고 상기 절곡 표면영역에 용접되는 적어도 하나 이상의 레그부; 및 상기 지지부 또는 상기 레그부로부터 상기 비딩부를 향해 연장되어 상기 비딩부의 내측면에 결합되는 하우징 접속부를 포함할 수 있다.
상기 캡은 상기 단자에 해당하고, 상기 집전 플레이트는, 지지부; 상기 지지부로부터 외측으로 연장되고 상기 절곡 표면영역과 용접된 적어도 하나 이상의 레그부; 및 상기 지지부 또는 상기 레그부로부터 연장되어 상기 캡에 결합되는 리드부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제는 상술한 원통형 배터리를 복수개 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 축방향을 따라 돌출된 모양을 가진 무지부의 절곡 타겟 영역을 절곡 방향을 따라 연장된 패턴으로 형성하고, 절곡 타겟 영역의 무지부 플래그들을 절곡함으로써 무지부의 절곡면에 대한 평탄도를 향상시킬 수 있고 절곡면 하부에서 무지부가 불규칙하게 절곡되는 현상을 완화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 축방향 단부에서 절곡 타겟 영역의 주변 영역에 있는 무지부의 권취턴부를 상당 부분 커팅함으로써 전해질이 활물질층으로 빠르게 침투할 수 있는 통로를 제공함으로써 전해질 함침성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 무지부의 권취턴부를 커팅하고 절곡함으로써 전극 조립체의 축방향 높이를 감소시킬 수 있으므로 그 만큼 원통형 배터리의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 무지부의 권취턴부를 커팅하는 과정에서 절곡 타겟 영역 내에 형성되는 복수의 무지부 플래그를 전극 조립체의 반경방향을 따라 절곡시켜 무지부 플래그들이 여러 겹으로 중첩된 절곡 표면영역을 형성한 후 해당 영역에 집전 플레이트를 용접함으로써 원통형 배터리의 저항을 낮출 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수직 커터와 수평 커터를 포함하는 초음파 커팅 장치를 제공함으로써 절곡 타겟 영역이 전극 조립체의 축방향으로 돌출된 상태로 잔류하도록 무지부의 권취턴부를 용이하게 커팅할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 절곡 타겟 영역이 전극 조립체의 축방향으로 돌출된 상태로 잔류하도록 무지부의 권취턴부를 용이하게 커팅할 수 있는 방법을 제공함으로써 전극 조립체의 생산성과 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 에너지 밀도가 높고 저항이 낮은 원통형 배터리들을 이용하여 제조된 대용량의 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공함으로써 급속 충전의 안전성과 에너지 사용의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 있어서 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4는 종래 기술에 따른 전극 조립체의 단면에서 무지부의 절곡 구조를 확대 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 전극을 양극 및 음극에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 축방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 상부 구조를 나타낸 부분 사시도이다.
도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 절곡 타겟 영역을 축방향(Y)을 따라 자른 부분 단면도이다.
도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 상부에 구비되는 권취턴부의 커팅 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부를 축방향(Y)을 따라 커팅할 때 사용되는 수직 커터의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부를 축방향(Y)을 따라 커팅할 때 사용되는 수직 커터의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 커팅 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다양한 변형예에 따른 수직 커터들에 대한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부를 축방향(Y)과 수직으로 커팅할 때 사용되는 수평 커터의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부를 축방향(Y)과 수직으로 커팅할 때 사용되는 수평 커터의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 나이프를 포함하는 수평 커터의 평면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 나이프를 포함하는 수평 커터의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 수직 커터를 이용하여 전극 조립체의 권취턴부에 커팅 라인을 형성한 후의 모습을 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 수평 커터를 이용하여 전극 조립체의 축방향(Y)과 수직을 이루는 평면(XZ 평면)에서 권취턴부를 커팅하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따라 수직 커터를 이용하여 전극 조립체의 권취턴부에 커팅 라인을 형성한 후의 모습을 나타낸 평면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 회전 나이프를 포함하는 수평 커터를 이용하여 전극 조립체의 축방향(Y)과 수직을 이루는 평면(XZ 평면)에서 권취턴부를 커팅하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부가 커팅되고 난 이후 절곡 타겟 영역의 배치 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 25a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 축방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 25b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전 플레이트의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 25c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전 플레이트의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 26a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 축방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 26b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1집전 플레이트의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 26c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2집전 플레이트의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취 축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축에 가까워지거나 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향 또는 방사방향(Z)이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취 축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다. 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체이다.
바람직하게, 양극 및 음극 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극(40)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5를 참조하면, 전극(40)은 금속 포일로 이루어진 집전체(41) 및 활물질층(42)을 포함한다. 금속 포일은 도전성 금속으로 이루어진다. 금속 포일은 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(40)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 활물질층(42)은 집전체(41)의 적어도 일면에 형성되며, 권취 방향(X)의 장변 단부에 무지부(43)를 포함한다. 무지부(43)는 활물질이 코팅되지 않은 영역이다. 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계에는 절연 코팅층(44)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 적어도 일부가 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(44)은 고분자 수지를 포함하고, SiO2, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다. 고분자 수지는 다공질 구조를 가질 수 있다. 고분자 수지는 절연성이 있는 소재이면 특별히 제한되지 않는다. 고분자 수지는, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이드, 폴리부틸렌플로라이드 등일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 코어측에 인접하는 무지부(43)의 일부는 노칭 공정을 통해 커팅할 수 있다. 이 경우, 무지부(43)를 코어측으로 절곡하더라도 전극 조립체의 코어가 무지부(43)의 절곡부에 의해 폐색되지 않는다. 참고로, 코어에는 전극 조립체의 권취 시 사용되었던 보빈이 제거되면서 생긴 공동이 구비된다. 공동은 전해액 주입 통로 또는 용접 지그를 삽입하기 위한 통로로 활용될 수 있다. 도면에서, 일점 쇄선은 무지부(43)가 절곡되는 최저 위치를 나타낸다. 무지부(43)의 절곡은 일점 쇄선 또는 그 보다 높은 위치에서 이루어진다.
무지부(43)의 커팅부(B)는 전극(40)이 권취되었을 때 반경 방향으로 복수의 권회 턴을 형성한다. 복수의 권회 턴은 반경 방향에서 소정의 폭을 가진다. 바람직하게, 소정의 폭은 무지부(43)의 절곡 길이(h)보다 같거나 크도록 커팅부(B)의 폭(d)과 무지부(43)의 절곡 길이(h)가 조절될 수 있다. 그러면, 무지부(43)가 절곡되더라도 전극 조립체의 코어가 폐색되지 않는다.
무지부(43)의 커팅부(B)를 형성할 때 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지하기 위해 절단 라인과 절연 코팅층(44) 사이에 갭(G)을 두는 것이 바람직하다. 갭(G)은 0.2mm 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭(G)이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(43)가 커팅될 때 커팅 공차에 의해 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(40)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 무지부 커팅부(B)의 폭(d)은 전극 조립체 코어의 직경에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
한편, 전극 조립체의 코어가 전해액 주입 공정, 용접 공정 등에서 사용되지 않는 경우, 무지부(43)의 커팅부(B)는 형성하지 않아도 무방하다.
상술한 실시예의 전극(40)은 젤리롤 타입의 전극 조립체에 포함된 양극 및/또는 음극에 적용될 수 있다. 또한, 양극 및 음극 중 어느 하나에 실시예의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극 구조(도 1)가 적용될 수 있다. 또한, 양극 및 음극에 적용된 전극 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, - 0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(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; 화학량론 계수인 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), 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.
본 발명의 실시예에 따른 전극(40)은 젤리롤 타입 전극 조립체의 양극과 음극에 적용될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 전극(40)을 양극 및 음극에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(50)를 축방향(Y)을 따라 자른 단면도이고, 도 6b는 전극 조립체(50)의 상부 구조를 나타낸 부분 사시도이고, 도 6c는 전극 조립체(50)의 절곡 타겟 영역에 포함된 복수의 무지부 플래그(48c)가 반경방향(Z)을 따라 절곡된 상태를 보여주는 축방향(Y)의 부분 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 전극 조립체(50)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 전극 조립체(50)의 상부로 돌출된 무지부(41)는 양극(43)으로부터 연장된 것이다. 전극 조립체(50)의 하부로 돌출된 무지부(42)는 음극(44)으로부터 연장된 것이다.
전극 조립체(50)의 상부에는 양극(43)의 무지부(41)가 권취되면서 형성된 권취턴부(48)가 구비된다. 유사하게, 전극 조립체(50)의 하부에는 음극(44)의 무지부(42)가 권취되면서 형성된 권취턴부(49)가 구비된다. 권취턴부(48, 49)는 축방향(Y)을 따라 분리막(45)의 외부로 노출된다.
분리막(45)은 양극(43)과 음극(44) 사이에 개재된다. 양극(43)의 활물질 코팅영역의 Y축 방향 길이는 음극(44)의 활물질 코팅 영역의 Y 축 방향의 길이보다 작을 수 있다. 따라서, 음극(44)의 활물질 코팅 영역이 양극(43)의 활물질 코팅 영역보다 Y축 방향을 따라 길게 연장될 수 있다.
바람직하게, 양극(43) 및 음극(44)의 활물질 영역과 무지부 사이의 경계에 형성된 절연 코팅층(47)은 분리막(45)의 단부까지 연장되거나 단부로부터 외측으로 노출될 수 있다. 절연 코팅층(47)이 분리막(45) 외부로 노출될 경우 무지부(41, 42)가 절곡될 때 절곡 지점을 지지하는 역할을 할 수 있다. 절곡 지점이 지지되면, 무지부(41, 42)가 절곡될 때 활물질층과 분리막(45)으로 인가되는 응력이 완화된다. 또한, 절연 코팅층(47)은 양극(43) 및 음극(44)이 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
양극(43)은 집전체 및 그것의 적어도 일면에 형성된 활물질 코팅층을 포함하고, 집전체(무지부 41)의 두께는 180um 내지 220um일 수 있다. 음극(44)은 집전체 및 그것의 적어도 일면에 형성된 활물질 코팅층을 포함하고, 집전체(무지부 42)의 두께는 140um 내지 180um일 수 있다. 분리막(45)은 양극(43) 및 음극(44) 사이에 개재되며, 두께는 8um 내지 18um일 수 있다.
양극(43)의 권회 구조에 있어서 반경 방향으로 인접하는 권회 턴에 위치한 무지부(41)의 간격은 350um 내지 380um일 수 있다. 또한, 음극(44)의 권회 구조에 있어서 반경 방향으로 인접하는 권회 턴에 위치한 무지부(42)의 간격은 350 내지 380um일 수 있다.
전극 조립체(50)에 있어서, 양극(43)의 권회 턴수는 원통형 배터리의 폼 팩터에 따라 달라지는데 48 내지 56일 수 있다. 음극(44)의 권회 턴수 또한 원통형 배터리의 폼 팩터에 따라 달라지는데 48 내지 56일 수 있다.
무지부(41, 42)는 소형 원통형 배터리의 설계에 적용되는 무지부보다 더 길다. 바람직하게, 무지부(41, 42)는 6mm 이상, 선택적으로 7mm 이상, 선택적으로 8mm 이상, 선택적으로 9mm 이상, 선택적으로 10mm 이상, 선택적으로 11mm 이상, 선택적으로 12mm 이상일 수 있다.
도 6b를 참조하면, 양극(43)의 권취턴부(48)는 원주 방향(X)을 따라 교호로 배치된 절단부(48a) 및 절곡부(48b)를 포함한다. 절단부(48a)의 축방향(Y) 높이는 절곡부(48b)의 축방향(Y) 높이보다 작다. 전극 조립체(50) 코어(C)의 근처 영역은 절곡부(48b)를 포함하지 않는다. 양극(43)의 코어측 무지부는 높이가 낮기 때문이다(도 5 참조).
절곡부(48b)는 전극 조립체(50)의 반경 방향(Z)을 따라 배열된 복수의 무지부 플래그(48c)를 포함한다. 복수의 무지부 플래그(48c)는 원주 방향의 폭이 전극 조립체(50)의 코어측으로부터 외주면 측으로 가면서 실질적으로 동일하다. 대안적으로, 복수의 무지부 플래그(48c)는 원주 방향의 폭이 전극 조립체(50)의 코어측으로부터 외주면 측으로 가면서 점진적으로 증가할 수 있다. 이 경우, 절곡부(48b)는 축방향(Y)에서 보았을 때 대략 부채꼴 형상을 가질 수 있다.
절단부(48a)는 제1 내지 제n절단부를 포함할 수 있다. 제1 내지 제n절단부는 전극 조립체(50)의 코어(C) 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다. 유사하게, 절곡부(48b)는 제1 내지 제n절곡부를 포함할 수 있다. 또한, 제1 내지 제n절곡부는 전극 조립체(C)의 코어(C) 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다. 회전 대칭은 전극 조립체(50)를 권취 방향을 따라 소정 각도 회전시켰을 때 구조가 일치하는 대칭을 의미한다.
실시예에서, 절단부(48a) 및 절곡부(48b)의 수는 4개이므로 n은 4 이다. 또한, 4개의 절단부(48a)들과 4개의 절곡부(48b)들은 전극 조립체(50)의 코어(C) 중심을 기준으로 90도 회전 대칭을 이룬다.
한편, n은 2, 3, 5, 6, 9 등으로 감소 또는 증가할 수 있다. 따라서, 회전 대칭 각도는 n의 값에 따라 180도, 120도, 75도, 60도, 40도 등으로 변경이 가능하다.
도 6c를 참조하면, 복수의 무지부 플래그(48c)는 축방향(Y)을 따라 중첩되면서 전극 조립체(50)의 반경 방향(Z)을 따라 절곡됨으로써 평평한 절곡 표면영역(F)을 형성할 수 있다.
복수의 무지부 플래그(48c)는 절곡되더라도 전극 조립체(50)의 코어(C)를 차폐하지 않는다. 이를 위해, 코어(C)와 가장 인접한 무지부 플래그(48c)의 절곡 길이는 해당 무지부 플래그(48c)가 위치한 지점으로부터 코어(C)까지의 거리보다 작거나 같을 수 있다.
절곡 표면영역(F)는 집전 플레이트의 용접 영역으로 사용될 수 있다. 절곡 표면영역(F)은 충분한 용접 강도를 달성하기 위해, 무지부 플래그(48c)들이 축방향(Y)을 따라 여러 겹으로 중첩된 영역을 포함한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 절단부(48a)는 축방향(Y)과 실질적으로 수직을 이루는 제1커팅면(51)을 포함할 수 있다. 제1커팅면(51)은 전극 조립체(50)의 상부에 구비된 권취턴부(48)가 초음파 커팅 장치에 의해 축방향(Y)과 수직으로 커팅되면서 형성된 초음파 커팅면일 수 있다.
복수의 무지부 플래그(48c)의 기단부에는 절연 코팅층(47)이 구비되고, 절연 코팅층(47)의 축방향(Y) 단부는 분리막(45)의 축방향(Y) 단부의 외측으로 연장되어 노출될 수 있다. 제1커팅면(51)은 절연 코팅층(47)의 축방향(Y) 단부와 커팅 공차에 해당하는 만큼 이격될 수 있다. 절연 코팅층(47)의 축방향(Y) 단부와 음극(44)에 포함된 활물질층의 축방향 단부는 축방향(Y)에서 보았을 때 제1 커팅면(51)을 통해 노출될 수 있다. 따라서, 제1커팅면(51)을 통해서 전해질이 음극(44)에 포함된 활물질층의 축방향 단부 및 절연 코팅층(47)의 축방향(Y) 단부와 직접적으로 접촉됨으로써 함침성(속도 및 균일도)이 현저하게 개선될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 복수의 무지부 플래그(48c)는 제1커팅면(51)으로부터 축방향(Y)을 따라 상부로 돌출될 수 있다. 절곡부(48b)에 포함된 복수의 무지부 플래그(48c)는 제1커팅면(51)로부터 이격된 절곡 라인을 따라 전극 조립체(50)의 코어(C) 방향을 향해 절곡되어 절곡 표면영역(F)을 형성한다. 제1커팅면(51)은 절곡 라인의 위치로 인해 절곡 표면영역(F)과 축방향(Y)으로 이격될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 절곡부(48b)는 복수의 무지부 플래그(48c)의 측변을 따라 연장된 제2커팅면(52)을 포함한다. 제2커팅면(52)은 전극 조립체(50)의 상부에 구비된 권취턴부(48)가 초음파 커팅 장치에 의해 축방향을 따라 커팅되면서 형성된 초음파 커팅면일 수 있다. 따라서, 제2커팅면(52)은 축방향(Y)과 평행한 상태를 가진다. 또한, 제2커팅면(52)은 평평면 면이며, 제1커팅면(51)과 서로 수직으로 교차한다.
본 발명에 있어서, 전극 조립체(50)의 상부에 구비되는 권취턴부(48)의 커팅 구조는 여러 가지 변형이 가능하다.
도 6d는 전극 조립체(50)의 상부에 구비되는 권취턴부(48)의 다른 커팅 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 6d를 참조하면, 제2커팅면(52)은 제1커팅면(51)과 수직으로 교차하되 그 형상이 라운드 면일 수 있다. 라운드 면 형태를 가진 제2커팅면(52)을 형성하기 위한 초음파 커팅 장치의 구성은 후술한다.
제2커팅면(52)이 축방향(Y)과 수직을 이루는 가상의 면과 만나는 원호(Rarc)의 이심율은 실질적으로 1일 수 있다. 즉, 원호(Rarc)는 일점 쇄선으로 나타낸 가상의 원(R)의 원호에 대응될 수 있다. 전극 조립체(50)의 코어 중심(O1)과 가상의 원(R)의 중심(O2)은 원호(Rarc)를 기준으로 서로 대향할 수 있다. 또한, 전극 조립체(50)의 코어 중심(O1)과 가상의 원(R)의 중심(O2)을 연결한 직선을 기준으로 원호(Rarc)는 실질적으로 대칭일 수 있다.
제2커팅면(52)이 라운드 면으로 이루어질 경우 무지부 플래그(48c)의 원주 방향 폭은 전극 조립체(50)의 코어측으로부터 외주면 측으로 갈수록 점진적으로 감소한다. 이 경우, 절곡 표면영역(F)이 확장됨으로써 집전 플레이트의 용접 영역을 넓게 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하여 설명한 권취턴부(48)의 구조는 전극 조립체(50)의 하부에 노출되어 있는 음극(44) 무지부의 권취턴부(49)에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 음극(44) 무지부의 권취턴부(49)에 대한 실시예들의 설명은 생략하기로 한다.
전극 조립체(50)의 상부 및 하부에 구비되는 권취턴부(48, 49)의 구조는 전극 조립체(50)의 축방향(Y)을 따라 권취턴부(48, 49)를 커팅한 다음, 축방향(Y)과 수직인 방향(Z)을 따라 커팅하여 형성할 수 있다. 물론, 커팅 순서는 반대가 될 수 있음은 자명하다.
이하, 축방향(Y)에 따른 커팅을 '수직 커팅'이라고 명명하고, 축방향(Y)과 수직 방향(Z)으로의 커팅을 '수평 커팅'이라고 명명한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부(48, 49)의 수직 커팅에 이용되는 수직 커터(60)의 구조를 나타낸 도면들로서, 도 7은 수직 커터(60)의 평면도이고 도 8은 도 7의 A-A'선에 따른 수직 커터(60)의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 수직 커터(60)는 커터 바디(61)와 복수의 커터 나이프(62)를 포함하며, 커터 바디(61)에는 복수의 커터 나이프(62)가 삽입되어 고정되는 홈들이 구비될 수 있다. 바람직하게, 커터 바디(61)는 초음파 커팅 장치의 혼(63, horn)에 결합될 수 있다. 초음파 커팅 장치에 대해서는 후술한다.
바람직하게, 커터 바디(61)는 금속 재질, 예컨대 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 탄소강 등으로 이루어진다. 커터 나이프(62)는 금속 재질, 예컨대 탄소강, 합금철, 고속철(high-speed steel), 캐스트 합금(cast alloy), 써밋(cermet), 규빅 보론 나이트라이드(cubic boron nitride), 세라믹, 다이아몬드 등으로 이루어진다.
복수의 커터 나이프(62)는 하단부가 커터 바디(61)에 매립(embedding)될 수 있다. 대안적으로, 커터 나이프(62)의 하단부는 커터 바디(61)에 형성된 홈에 삽입된 후 커터 바디(61)에 용접될 수 있다.
커터 나이프(62)의 각각은 커터 바디(61)의 중심부로부터 외측으로 연장되고 커터 바디(61)의 표면을 기준으로 수직으로 기립된 스트립 형상을 가진다.
복수의 커터 나이프(62)는 복수의 절곡 타겟 영역(절곡부)의 가장자리에 대응되도록 배치될 수 있다.
바람직하게, 복수의 커터 나이프(62)는 2개씩 쌍을 이루어 커터 바디(61)의 중심부로부터 외측으로 평행하게 연장될 수 있다. 평행하게 연장된 2개의 커터 나이프(62) 사이의 영역은 권취턴부의 절곡 타겟 영역(절곡부)에 대응되는 영역이다.
복수의 커터 나이프(62)는 2개씩 쌍을 이루어 커터 바디(61)의 중심을 기준으로 방사상으로 연장되어 있되, 커터 나이프(62)의 쌍들 사이의 각도는 실질적으로 동일할 수 있다.
일 예에서, 커터 나이프(62)의 수는 총 8 개일 수 있다. 이 경우, 방사상으로 연장되어 있는 커터 나이프(62) 쌍들은 서로 90도의 각도를 형성한다. 이후에 설명하겠지만, 커터 나이프(62) 쌍들의 방사상 연장 형태는 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
수직 커터(60)는 원주 방향을 따라 배치되는 복수의 절곡 타겟 영역(절곡부)의 가장자리를 축방향(Y)을 따라 초음파 커팅한다. 그러면, 도 6b에 도시된 것과 같이, 복수의 절곡 타겟 영역(절곡부)의 가장자리를 따라 축방향(Y)과 평행한 제2커팅면(52)이 형성되면서, 절곡 타겟 영역(절곡부) 내에 복수의 무지부 플래그(48c)가 정의될 수 있다.
수직 커터(60)는 초음파 커팅 장치에 포함될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 커팅 장치(70)의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따른 초음파 커팅 장치(70)는 컨버터(71), 부스터(72), 혼(horn, 73) 및 커터(74)를 포함할 수 있다.
컨버터(71)는 초음파 진동을 발생시킨다. 컨버터(71)는 초음파를 발생시키기 위해 세라믹 진동자를 포함할 수 있다. 부스터(72)는 컨버터(71)에서 발생한 초음파를 증폭시켜 혼(73)에 전달한다. 혼(73)은 부스터(72)에서 증폭된 초음파 진동을 커터(74)에 전달한다. 바람직하게, 커터(74)는 전술한 수직 커터(60)일 수 있다. 이 경우, 수직 커터(60)의 커터 바디(61)의 하부는 혼(73)에 볼트/너트 체결, 리벳팅, 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다. 커터(74)가 결합된 혼(73)을 권취턴부(48, 49)와 접촉시키면서 축방향(Y)으로 이동시키면 권취턴부(48, 49)가 초음파 진동하는 커터(74)에 의해 축방향(Y)으로 절단된다.
도시되지 않았으나, 초음파 커팅 장치(70)는 혼(73)의 선형 이동 및/또는 회전 이동을 위한 기계적 및/또는 전자적 메커니즘으로서, 워크 피스가 고정되는 스테이션; 및/또는 혼(73)의 선형 이동 및/또는 회전 운동을 지원하는 서보 모터 및/또는 리니어 모터 및/또는 에어 실린더; 및/또는 이들의 구동원; 및/또는 이들의 전자 제어 기기 등을 더 포함할 수 있다.
초음파 커팅 장치(70)의 컨버터(71), 부스터(72) 및 혼(73)에 관한 구성은 당업계에 널리 알려져 있다. 또한, 혼(73)의 선형 이동 및/또는 회전 이동을 위해 필요한 다양한 부품들이 초음파 커팅 장치(70)에 추가로 결합될 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 수직 커터(60)의 구조가 다양한 형태로 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다양한 변형예에 따른 수직 커터들(60a, 60b, 60c)에 대한 평면도이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 수직 커터(60a)는 커터 나이프(62)들의 쌍이 서로 120도를 이루며 방사상으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 또한, 수직 커터(60b)는 커터 나이프(62)들의 쌍이 서로 180도를 이루며 방사상으로 연장된 구조를 가질 수 있다.
다른 변형 예에서, 수직 커터(60c)는 커터 바디(61)의 중심부를 향해 만입된 원호 형상을 가진 커터 나이프(62)를 포함할 수 있다. 원호 형상은 이심율이 1인 원의 원호에 대응한다. 커터 나이프(62)의 원호 형상은 커터 바디(61)의 중심을 기준으로 점대칭, 좌우 대칭 또는 상하 대칭을 이룰 수 있다. 커터 나이프(62)들은 원호 형상을 가지더라도 커터 바디(61)의 중심을 기준으로 방사상 연장 구조를 가진다. 원호 형상을 가진 커터 나이프(62)들의 수는 4개에만 국한되지 않고, 2개 또는 3개로 조절이 가능하다. 이 경우, 커터 나이프(62)들은 커터 바디(61)의 원주 방향에서 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
다양한 실시예들의 수직 커터(60a, 60b, 60c)에 포함되어 있는 커터 나이프(62)들의 단면 구조는 도 8에 도시된 것과 실질적으로 동일하고, 초음파 커팅 장치(70)의 커터(74)로 사용될 수 있다. 이 경우, 커터 바디(61)는 초음파 커팅 장치(70)의 혼(73)에 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극 조립체(50)의 상부 및 하부에 각각 구비되는 권취턴부(48, 49)는 수직 커터(60, 60a, 60b, 60c)에 의해 축방향(Y)을 따라 커팅된 다음, 절곡 타겟 영역(절곡부)이 축방향(Y)을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 절곡 타겟 영역의 주변 영역이 축방향(Y)과 수직으로 커팅될 수 있다.
바람직하게, 절곡 타겟 영역의 주변 영역은 수평 커터(80)에 의해 커팅될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 수평 커터(80)의 일 예를 나타낸 평면도이고, 도 14는 도 13의 B-B'선에 따른 단면도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 수평 커터(80)는 커터 나이프(81)와 커터 바디(82)를 포함할 수 있다. 수평 커터(80)는 원주 방향으로 이격된 복수의 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 축방향(Y)과 수직으로 초음파 커팅할 수 있다. 수평 커터(80)에 의해 상기 주변 영역이 초음파 커팅되면, 도 6b에 도시된 것처럼 복수의 무지부 플래그(48c)가 제1커팅면(51)으로부터 축방향(Y)을 따라 돌출된다.
커터 나이프(81)는 다각 형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 다각 형상은 커팅이 이루어질 영역의 모양과 대응될 수 있다. 즉, 커터 나이프(81)는 전극 조립체(50)의 축방향(Y)과 수직을 이루는 커팅 평면 상에 놓이도록 커터 바디(82)에 결합되고 원주 방향으로 인접하는 절곡 타겟 영역(절곡부)들 사이의 권취턴부 영역에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
일 예에서, 커팅이 이루어질 영역의 모양이 직각 삼각형인 경우 커터 나이프(81)는 직각 삼각형 형상을 가진다. 다른 예에서, 커팅이 이루어질 영역의 모양이 빗변과 마주보는 꼭지점의 내각이 90도보다 큰 둔각(예를 들어 120도) 이등변 삼각형인 경우 커터 나이프(81) 또한 둔각 이등변 삼각형 형상을 가진다. 또 다른 예에서, 커팅이 이루어질 영역의 모양이 빗변과 마주보는 꼭지점의 내각이 90도 미만인 예각(예를 들어 60도) 이등변 삼각형인 경우 커터 나이프(81) 또한 예각 이등변 삼각형 형상을 가진다. 커터 나이프(81)의 하부는 수직 커터(60)의 커터 나이프(62)와 마찬가지로 커터 바디(82)에 매립되거나 커터 바디(82)에 용접될 수 있다.
수평 커터(80)의 커터 나이프(81)는 도 6b에 도시된 바와 같이 평평한 면의 형태를 가진 제2커팅면(52)과 수직으로 만나는 제1커팅면(51)을 형성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수평 커터(90)의 일 예를 나타낸 평면도이고, 도 16은 도 15의 C-C'선에 따른 단면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 수평 커터(90)는 원반 형태를 가진 회전 나이프(91)와 커터 바디(92)를 포함한다. 회전 나이프(91)는 일 방향으로 회전 가능하도록 회전 메카니즘(93)에 설치된다. 회전 나이프(91)의 회전축은 회전 메커니즘(93)의 베어링(94)에 체결될 수 있다. 회전 메커니즘(93)은 모터(미도시)와 결합되어 커터 나이프(91)를 회전시킬 수 있다.
회전 나이프(91)의 반경은 도 6d에 도시된 가상의 원(R)의 반경과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6d를 참조하면, 회전 나이프(91)는 라운드진 면의 형태를 가진 제2커팅면(52)과 수직으로 만나는 제1커팅면(51)을 형성할 수 있다.
수평 커터(80, 90)는 초음파 커팅 장치(70)의 커터(74)로서 혼(73)에 결합될 수 있다. 수평 커터(80, 90)가 혼(73)에 결합되는 방식은 수직 커터(60)가 혼(73)에 결합되는 방식과 실질적으로 동일하다.
수평 커터(80, 90)는 전극 조립체(50)의 축방향(Y)과 수직을 이루는 평면 상에서 무지부에 의해 형성된 권취턴부(48, 49)에 접근하여 커터 나이프의 형상에 따라 권취턴부(48, 49)를 커팅할 수 있다. 수평 커터(90)의 회전 나이프(91)는 권취턴부(48, 49)를 커팅하기 위해 고속으로 회전될 수 있다. 바람직하게, 수평 커터(80, 90)가 초음파 커팅 장치(70)의 커터(74)로서 사용되면, 권취턴부(48, 49)는 초음파 진동을 하는 커터 나이프(81, 91)에 의해 커팅될 수 있다.
이하에서는 수직 커터(도 7의 60) 및 수평 커터(도 13의 80)에 의해 권취턴부(48, 49)가 커팅되는 과정을 상세하게 설명한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 수직 커터(60)를 이용하여 전극 조립체(50)의 권취턴부(48, 49)에 커팅 라인(100)을 형성한 후의 모습을 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 먼저 수직 커터(60)를 초음파 진동을 시키면서 커터 나이프(61)를 전극 조립체(50)의 상부 표면과 대향시키고 축방향(Y)을 따라 수직 커터(60)를 이동시켜 권취턴부(48, 49)의 상부를 소정 깊이로 커팅하여 절곡 타겟 영역(D)의 가장자리에 커팅 라인(100)을 형성한다.
절곡 타겟 영역(D)은 집전 플레이트와의 용접을 위해 무지부 플래그들이 전극 조립체(50)의 반경 방향을 따라서 절곡되는 영역에 해당한다. 커팅 라인(100)은 권취턴부(48, 49)의 상부가 라인 슬릿 형태로 커팅된 영역에 해당한다.
바람직하게, 커팅 깊이는 2mm 내지 10mm일 수 있다. 수직 커터(60)를 이용한 수직 커팅이 끝나는 최하단 지점은 커팅 공차를 감안하여 도 6a에 도시된 바와 같이 분리막(45)의 외부로 노출된 절연 코팅층(47)의 단부보다 높은 위치(화살표 표시 지점)일 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 수평 커터(80)를 이용하여 전극 조립체(50)의 축방향(Y)과 수직을 이루는 평면(XZ 평면)에서 권취턴부(48, 49)를 커팅하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 18을 참조하면, 절곡 타겟 영역(D)의 가장자리에 커팅 라인(100)을 형성한 이후에 수평 커터(80)를 초음파 진동시키면서 전극 조립체(50)의 축방향(Y)과 수직을 이루는 평면(XZ) 상에서 커터 나이프(81)를 전극 조립체(50)의 코어 측으로 이동시켜 원주 방향으로 인접한 절곡 타겟 영역(D)들 사이에 존재하는 권취턴부 부분을 커팅한다.
바람직하게, 수평 커팅이 이루어지는 위치는 수직 커팅이 종료된 최저점(도 6a의 화살표 표시 지점) 또는 그 상부 지점일 수 있다. 수평 커터(80)가 전극 조립체(50)의 코어(C) 중심을 향해 이동함에 따라 커터 나이프(81)와 중첩되는 영역(해칭 영역)이 커팅되며, 커터 나이프(81)가 절곡 타겟 영역(D)의 가장자리까지 이동하면 절곡 타겟 영역(D)의 주변에 있는 권취턴부(48, 49)가 모두 커팅되어 제거된다. 그 결과, 절곡 타겟 영역(D)이 전극 조립체(50)의 축방향(Y) 방향을 따라 제1커팅면(51)의 상부로 돌출된 상태로 잔류하게(남게) 된다.
바람직하게, 절곡 타겟 영역(D)은 전극 조립체(50)의 축방향(Y)에서 보았을 때 반경 방향을 따라 방사상으로 연장되고, 원주 방향을 따라 동일한 각도로 배치될 수 있다.
바람직하게, 절곡 타겟 영역(D)은 전극 조립체(50)의 축방향(Y)에서 보았을 때 전극 조립체(50)의 코어 중심으로부터 외측으로 연장된 십자 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 수직 커터(도 12의 60c) 및 수평 커터(도 15의 90)에 의해 전극 조립체(50)의 상부 및 하부에 각각 구비된 권취턴부(48, 49)가 커팅되는 과정을 상세하게 설명한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 수직 커터(60c)를 이용하여 전극 조립체(50)의 권취턴부(48, 49)에 커팅 라인(100)을 형성한 후의 모습을 나타낸 도면이다.
도 19를 참조하면, 먼저 수직 커터(60c)를 초음파 진동을 시키면서 커터 나이프(61)를 전극 조립체(50)의 상부 표면과 대향시키고 축방향(Y)을 따라 수직 커터(60c)를 이동시켜 권취턴부(48, 49)를 소정 깊이로 커팅하여 절곡 타겟 영역(D)의 가장자리에 커팅 라인(100)을 형성한다. 커팅 라인(100)은 전극 조립체(50)의 코어 중심을 향해 만곡된 원호 형상을 가진다. 원호는 이심률이 1인 원의 원호에 대응한다. 절곡 타겟 영역(D)은 십자 형상을 가지되 가장자리가 원호 형상을 가진다.
절곡 타겟 영역(D)은 집전 플레이트와의 용접을 위해 무지부 플래그들이 전극 조립체(50)의 반경 방향을 따라 절곡되는 영역에 해당한다. 커팅 라인(100)은 권취턴부(48, 49)가 전극 조립체(50)의 축방향(Y)을 따라 제거된 영역에 해당한다. 바람직하게, 커팅 깊이는 2mm 내지 10mm일 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 수직 커터(60c)를 이용한 수직 커팅이 끝나는 최하단 지점은 커팅 공차를 감안하여 분리막(45)의 외부로 노출된 절연 코팅층(47)의 단부보다 높은 위치(화살표 표시 지점)인 것이 바람직하다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 회전 나이프(91)을 포함하는 수평 커터(90)를 이용하여 전극 조립체(50)의 축방향(Y)과 수직을 이루는 평면(XZ 평면)에서 절곡 표면영역(D)의 주변에 있는 권취턴부 부분을 커팅하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 절곡 타겟 영역(D)의 가장자리에 원호형의 커팅 라인(100)을 형성한 이후에 수평 커터(90)의 회전 나이프(91)를 초음파 진동시키면서 전극 조립체(50)의 축방향(Y)과 수직인 평면(XZ) 상에서 회전 나이프(91)를 전극 조립체(50)의 코어 측으로 이동시켜 원호형 커팅 라인(100)의 외측에 존재하는 권취턴부 영역을 커팅한다. 경우에 따라, 수평 커터(90)의 회전 나이프(91)에 초음파 진동을 인가하지 않고 회전 나이프(91)의 회전에 의해서만 권취턴부를 커팅하는 것도 가능하다.
바람직하게, 수평 커팅이 이루어지는 위치는 수직 커팅이 종료된 최저점(도 6a의 화살표 표시 지점) 또는 그 상부 지점일 수 있다. 수평 커터(90)가 전극 조립체(50)의 코어 중심을 향해 이동함에 따라 회전 나이프(91)와 중첩되는 영역(해칭 영역)이 커팅되며, 회전 나이프(91)가 절곡 타겟 영역(D)의 가장자리까지 이동하면 절곡 타겟 영역(D)을 제외한 나머지 부분의 권취턴부가 모두 커팅되어 제거된다. 그 결과, 절곡 타겟 영역(D)이 전극 조립체(50)의 축방향(Y) 방향을 따라 제1커팅면(51)의 상부로 돌출된 상태로 잔류하게(남게) 된다.
바람직하게, 수평 커터(90)의 회전 나이프(91)가 가지는 곡률 반경은 절단 라인(100)의 곡률 반경과 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다. 후자의 경우, 회전 나이프(91)의 선형 이동 및 회전 이동을 조합하여 커팅 라인(100) 외측의 권취턴부 영역을 커팅할 수 있다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 실시예에 따라 권취턴부(48, 49)가 커팅되고 난 이후 절곡 타겟 영역(D)의 배치 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도면들에서, 절곡 타겟 영역(D)은 축방향(Y)과 수직인 제1커팅면(51)으로부터 전극 조립체(50)의 상부로 돌출되어 있다.
각 도면에서, 전극 조립체(50)의 단면 구조 위에는 커터의 구조를 도시하였다. 도 21 내지 도 23에 나타낸 절곡 타겟 영역(D)은 수직 커터(60)와 수평 커터(80)를 순차적으로 사용하여 형성할 수 있다. 그리고, 도 24에 나타낸 절곡 타겟 영역(D)은 수직 커터(60c)와 회전 나이프(91)를 포함하는 수평 커터(90)를 순차적으로 사용하여 형성할 수 있다.
바람직하게, 도 5에 도시된 것처럼, 전극 조립체(50)의 코어 근처에 있는 무지부는 높이가 다른 부분의 무지부보다 낮다. 따라서, 코어 근처에는 절곡 타겟 영역(D)이 형성되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체(50)의 권취턴부(48, 49)를 커팅하여 형성한 절곡 타겟 영역(D)은 반경 방향을 따라서 복수의 무지부 플래그(48c)를 포함한다. 복수의 무지부 플래그(48c)는 전극 조립체(50)의 반경 방향, 바람직하게는 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다.
바람직하게, 무지부 플래그(48c)의 축방향(Y) 높이는 2mm 내지 10mm의 범위에서 조절함으로써 무지부 플래그(48c)들이 반경 방향을 따라 절곡될 때 도 6c에 도시된 바와 같이 전극 조립체(50)의 축방향(Y)으로 적어도 3장 이상, 또는 적어도 4장 이상, 적어도 5장 이상, 적어도 6장 이상, 적어도 7장 이상, 적어도 8장 이상, 적어도 9장 이상 또는 적어도 10장 이상 적층되도록 할 수 있다.
절곡 타겟 영역(D)은 전극 조립체(50)의 축방향(Y)을 따라 제1커팅면(51)으로부터 돌출된 형상을 가지며 절곡 방향을 따라 방사상으로 연장된 구조를 가진다. 또한, 절곡 타겟 영역(D)에 포함된 무지부 플래그(48c)들은 원주 방향으로의 폭이 좁다. 따라서, 절곡 타겟 영역(D)에 포함된 무지부 플래그(48c)들을 전극 조립체(50)의 반경 방향을 따라 절곡시킬 때 절곡이 균일하게 이루어진다. 또한, 무지부 플래그(48c)들이 축방향(Y)을 따라 여러 겹으로 적층되면서 절곡 표면영역(도 6c의 F)의 평탄도가 향상된다. 또한, 평탄도가 향상된 절곡 표면영역(F)에 집전 플레이트를 용접하면 용접 출력을 증가시켜 용접 강도를 충분히 증가시킬 수 있고 용접 계면의 저항 특성을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(50)는 젤리롤 타입의 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자들은 배터리의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡 표면영역에 집전 플레이트를 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 배터리, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 25a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 축방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 25a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)은 젤리 롤 형태로 권취된 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수납하는 전지 하우징(142) 및 전지 하우징(142)의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다. 전극 조립체(110)는 상술한 실시예의 구조를 가진다.
전지 하우징(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 전지 하우징(142)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스스틸 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 전지 하우징(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(10)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다. 전지 하우징(142)의 외면 및/또는 내면에는 Ni 코팅층이 형성될 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.
전극 조립체(110)는, 젤리롤 형상을 가질 수 있다. 전극 조립체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 양극, 상부 분리막 및 음극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 전극-분리막 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에는 각각 양극의 무지부(146a)와 음극의 무지부(146b)가 돌출된다. 양극의 무지부(146a)는 전극 조립체(110)의 상부에서 권취턴부(48)을 형성하고, 음극의 무지부(146b)는 전극 조립체(110)의 하부에서 권취턴부(49)를 형성한다. 권취턴부(48, 49)는 원주 방향을 따라 교호로 배치되는 절곡부와 절단부를 포함한다. 절곡부와 절단부에 관한 실시예들은 도 6b 및 도 6d를 참조하여 상술하였다.
밀봉체(143)는 캡(143a), 캡(143a)와 전지 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 밀봉 가스켓(143b) 및 상기 캡(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡(143a)는, 양극 권취턴부(48)의 절곡부(48b)와 전기적으로 연결되며, 전지 하우징(142)과는 밀봉 가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡(143a)는, 원통형 배터리(140)의 양극 단자로서 기능할 수 있다.
캡(143a)는 전지 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 전지 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 전지 하우징(142)과 캡(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 밀봉 가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
전지 하우징(142)은 음극 권취턴부(49)의 절곡부와 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 하우징(142)은 음극과 동일한 극성을 갖는다.
전지 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(110)가 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡(143a)의 외주면, 그리고 캡(143a)의 상면 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(190)은 제1집전 플레이트(144) 및/또는 제2집전 플레이트(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
도 25b 및 도 25c는 각각 제1집전 플레이트(144)와 제2집전 플레이트(145)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 25b 및 도 25c를 참조하면, 제1집전 플레이트(144)는 전극 조립체(110) 상부에 결합된다. 제1집전 플레이트(144)는 알루미늄, 구리, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다.
제1집전 플레이트(144)는 양극의 권취턴부(48)의 절곡부에 포함된 무지부 플래그들이 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(도 6c의 F)의 용접 타겟 영역에 용접된다.
바람직하게, 용접 타겟 영역은 전극 조립체(110)의 축방향(Y)으로 무지부 플래그들의 평균 적층 수가 5장 이상일 수 있다. 또한, 용접 타겟 영역은 무지부 플래그들의 평균 적층 두께가 50um 이상일 수 있다.
제1집전 플레이트(144)는 지지부(144a), 지지부(144a)로부터 외측으로 연장된 복수의 레그부(144b), 및 인접하는 레그부(144b)들 사이에서 지지부(144a)로부터 외측으로 연장된 리드부(149)를 포함할 수 있다. 리드부(149)는 도시된 것과 다르게 레그부(144b)들 중 어느 하나로부터 연장될 수도 있다.
지지부(144a)는 전극 조립체(110)의 코어 근처에 안착되며, 복수의 레그부(144b)는 절곡 표면영역에 안착된 상태에서 절곡 표면영역의 용접 타겟 영역에 용접될 수 있다.
지지부(144a)의 중심에는 홀(H1)이 구비된다. 전해액은 홀(H1)을 통해 주입될 수 있다. 홀(H1)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동 직경의 0.5 배 이상이다. 홀(H1)의 직경이 코어에 있는 공동 직경보다 작으면 원통형 배터리(190)에서 벤트가 일어날 때 코어의 공동을 통해 전극이나 분리막이 빠져나오는 것을 방지할 수 있다. 또한, 홀(H1)의 직경이 코어에 있는 공동 직경보다 같거나 크면 제2집전 플레이트(145)를 전지 하우징(142)의 바닥부에 용접하는 과정에서 용접 지그를 용이하게 삽입할 수 있고 전해액 주입이 원활하게 이루어질 수 있다.
리드부(149)는 전극 조립체(110)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 연결 플레이트(143c)는 캡(143a)의 하부면에 결합될 수 있다. 리드부(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
무지부 플래그들이 절곡되어 형성된 절곡 표면영역과 제1집전 플레이트(144) 간의 결합은 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접 등으로 대체 가능하다.
도 25a 및 도 25c를 참조하면, 전극 조립체(110)의 하면에는 플레이트 형상의 제2집전 플레이트(145)가 결합될 수 있다.
제2집전 플레이트(145)는 홀(H2)이 형성된 지지부(145a), 지지부(145a)로부터 외측으로 연장된 복수의 레그부(145b), 홀(H2) 내측에 구비되어 전지 하우징(142)의 바닥면에 결합되는 접속부(145c) 및 접속부(145c)와 지지부(145a)를 연결하는 브릿지부(145d)를 포함할 수 있다.
제2집전 플레이트(145)는 알루미늄, 구리, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 지지부(145a)는 전극 조립체(110)의 하부면에서 코어 근처에 안착된다. 복수의 레그부(145b)들은 음극 권취턴부(49)의 무지부 플래그들이 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 용접 타겟 영역에 용접된다. 접속부(145c)는 전지 하우징(142)의 내측 바닥 면 상에 용접될 수 있다.
접속부(145c)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동의 직경보다 크다. 브릿지부(145d)는 홀(H2)의 내측면과 접속부(145c)의 외측면을 연결한다. 브릿지부(145d)는 제2집전 플레이트(145)에 진동이나 응력이 인가되었을 때 진동이나 응력을 완충하는 작용을 한다. 브릿지부(145d)의 폭이나 두께는 부분적으로 감소될 수 있다. 그러면, 브릿지부(145d)를 통해 과전류가 흐를 때 브릿지부(145d)가 녹아서 끊어짐으로써 과전류가 차단될 수 있다.
바람직하게, 용접 타겟 영역은 전극 조립체(110)의 축방향(Y)으로 무지부 플래그들의 평균 적층 수가 5장 이상일 수 있다. 또한, 용접 타겟 영역은 무지부 플래그들의 평균 적층 두께가 50um 이상일 수 있다.
도 25b 및 도 25c를 참조하면, 제1집전 플레이트(144)의 레그부(144b)에 형성되는 용접 패턴(W1)과 제2집전 플레이트(145)의 레그부(145b)에 형성되는 용접 패턴(W2)은 전극 조립체(110)의 코어 중심으로부터 실질적으로 동일한 거리로 이격된 지점부터 시작되어 반경 방향으로 연장될 수 있다. 용접 패턴(W1)의 반경 방향 길이는 용접 패턴(W2)의 반경 방향 길이와 동일하거나 다를 수 있다. 용접 패턴(W1, W2)은 연속적인 용접 비즈이거나 불연속적인 용접 비즈들의 배열일 수 있다.
도 25a를 참조하면, 인슐레이터(146)는 제1집전 플레이트(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전 플레이트(144)의 상면에서 제1집전 플레이트(144)를 커버함으로써, 제1집전 플레이트(144)와 전지 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전 플레이트(144)로부터 상방으로 연장되는 리드부(149)가 인출될 수 있도록, 리드 홀(151)을 구비한다. 리드부(149)는 리드 홀(151)을 통해 상방으로 인출되어 연결 플레이트(143c)의 하면 또는 캡(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전 플레이트(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(110) 및 제1집전 플레이트(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(110) 및 제1집전 플레이트(144)의 결합체는, 축방향(Y)으로의 이동이 제한되어 원통형 배터리(190)의 조립 안정성이 향상될 수 있다.
인슐레이터(146)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 인슐레이터(146)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
전지 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 전지 하우징(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리(190)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다.
벤팅부(152)가 전지 하우징(142)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 변형 예에서, 벤팅부(152)는 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
제2집전 플레이트(145)의 접속부(145c)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동의 직경보다 크므로 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에서 생성된 가스가 외부로 배출될 때 코어 근처에 있는 전극이나 분리막이 빠져나오는 것을 방지할 수 있다.
도 26a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 축방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 26a를 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 25a에 도시된 원통형 배터리(190)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리(200)은 단자(172)가 관통 설치된 전지 하우징(171)을 포함한다. 단자(172)는 일측 단부의 가장자리가 전지 하우징(171)의 폐쇄부 내측면에 리벳팅된 리벳 단자일 수 있다. 단자(172)는 전지 하우징(171)의 폐쇄부(도면의 상부)에 설치된다. 단자(172)는 절연 가스켓(173)이 개재된 상태에서 전지 하우징(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 전지 하우징(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 대략 중심부를 관통하여 양극 권취턴부(48)의 절곡부와 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적 연결이 이루어지는 부분은 양극 권취턴부(48)의 무지부 플래그들이 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역이다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 단부 가장자리는 콜킹(caulking) 지그에 의해 가압됨으로써 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 단부의 최대 지름은 전지 하우징(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 하단면은 실질적으로 평평하며 양극 권취턴부(48)의 절곡부에 연결된 제1집전 플레이트(144')와 용접될 수 있다.
도 26b는 제1집전 플레이트(144')의 구조를 나타낸 상부 평면도이다. 도 26b를 참조하면, 제1집전 플레이트(144')는 도 25c에 나타낸 집전 플레이트(145)와 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 제1집전 플레이트(144')는 홀(H3)을 포함하는 지지부(144a'), 지지부(144')로부터 반경 방향을 따라 연장된 복수의 레그부(144b')들, 홀(H3) 내측에 구비된 접속부(144c') 및 지지부(144a')와 접속부(144c')를 연결하는 브릿지부(144d')를 포함할 수 있다. 제1집전 플레이트(144')의 접속부(144c')는 단자(172)의 단자 삽입부(172b)의 평탄한 하단에 용접될 수 있다. 복수의 레그부(144b')들은 양극 권취턴부(48)의 절곡 표면영역에 정의된 용접 타겟 영역에 용접될 수 있다.
도 26a를 참조하면, 제1집전 플레이트(144')와 전지 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전 플레이트(144')의 상부와 전극 조립체(110)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 제1집전 플레이트(144')가 다른 극성을 가진 전지 하우징(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 바람직하게, 단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)를 관통하여 제1집전 플레이트(144')에 용접될 수 있다. 인슐레이터(174)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어진다.
절연 가스켓(173)은 전지 하우징(171)과 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 하우징(171)과 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 하우징(171)의 상면이 원통형 배터리(200)의 음극 단자로서 기능할 수 있다.
절연 가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 절연 가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
절연 가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 절연 가스켓(173)이 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 하우징(171)의 상면 및/또는 단자(172)에 결합시키는 과정에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 가스켓 노출부(173a)는, 단자 노출부(172a)의 외주면뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다.
절연 가스켓(173)이 고분자 수지로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(173)은 열 융착에 의해 전지 하우징(171) 및 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(173)과 단자(172)의 결합 계면 및 절연 가스켓(173)과 전지 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 절연 가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 단자(172)는 인서트 사출에 의해 절연 가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
전지 하우징(171)의 상면 중에서 단자(172) 및 절연 가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 단자(172)와 반대 극성을 갖는 전극 단자에 해당한다.
도 26c는 제2집전 플레이트(176)의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 26a 및 도 26c를 참조하면, 제2집전 플레이트(176)는, 전극 조립체(110)의 하부에 결합된다. 제2집전 플레이트(176)는 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 제2집전 플레이트(176)는 음극 권취턴부(49)에 형성된 절곡 표면영역의 용접 타겟 영역과 용접을 통해 결합될 수 있다.
제2집전 플레이트(176)는 지지부(176a), 및 지지부(176a)로부터 반경 방향을 따라 연장되고 용접 타겟 영역에 용접되는 복수의 레그부(176b)를 포함한다. 지지부(176a)는 중앙에 홀(H4)을 포함한다. 전해질은 홀(H4)을 통해 주입될 수 있다. 홀(H4)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동의 직경 대비 0.5배 이상이다. 홀(H4)의 기능은 앞서 설명된 홀(H1)의 기능과 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 제2집전 플레이트(176)의 적어도 일부는 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예에서, 제2집전 플레이트(176)은 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 하우징(171)의 내측 면과 밀봉 가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이를 위해, 제2집전 플레이트(176)은 하우징 접속부(176c)를 포함한다. 하우징 접속부(176c)는 레그부(176b)의 단부로부터 비딩부(180)의 하부면을 향해 경사지게 연장된 연결부(176c2)와 비딩부(180)의 하부면에 배치되는 컨택부(176c1)를 포함한다. 연결부(176c2)는 도시된 것과 달리 레그부(176b)들 사이의 지지부(176a) 영역으로부터 연장될 수도 있다. 컨택부(176c1)는 비딩부(180)와의 접촉 면적을 증가시키기 위해 비딩부(180)의 원주 방향을 따라 원호 형상으로 연장될 수 있다.
제2집전 플레이트(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부, 예컨대 컨택부(176c1)는 전지 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(180)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전 플레이트(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전 플레이트(176)와 음극 권취턴부(49)의 절곡 표면영역에 포함된 용접 타겟 영역은 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 이 때, 용접은 절곡 표면영역에 있어서 축방향(Y)으로 무지부 플래그들의 평균 적층수가 5장 이상인 영역 또는 무지부 플래그들의 평균 적층 두께가 25um 이상인 영역에서 이루어진다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체될 수 있다.
한편, 제1집전 플레이트(144')의 레그부(144b')에 형성되는 용접 패턴(W1)과 제2집전 플레이트(176)의 레그부(176b)에 형성되는 용접 패턴(W2)은 전극 조립체(110)의 코어 중심으로부터 실질적으로 동일한 거리로 이격된 지점부터 시작되어 반경 방향으로 연장될 수 있다. 용접 패턴(W1)의 반경 방향 길이는 용접 패턴(W2)의 반경 방향 길이와 동일하거나 다를 수 있다. 일 예에서, 용접 패턴(W1)의 반경 방향 길이가 용접 패턴(W2)의 반경 방향 길이보다 더 길다. 제2집전 플레이트(176)는 연결부(176c2)를 포함하므로, 제2집전 플레이트(176)의 레그부(176b)가 제1집전 플레이트(144')의 레그부(144b')보다 짧기 때문이다. 제2집전 플레이트(176)의 컨택부(176c1)에도 적어도 하나 이상의 용접 패턴(W3)이 형성된다. 용접 패턴(W3)은 직선 또는 원호의 형상을 가질 수 있다. 용접 패턴(W1, W2, W3)은 연속적인 용접 비즈이거나 불연속적인 용접 비즈들의 배열일 수 있다.
전지 하우징(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 캡(178a)와 밀봉 가스켓(178b)을 포함한다. 밀봉 가스켓(178b)은 캡(178a)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡(178a)의 가장자리와 밀봉 가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예와 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 캡(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡(178a)와 전지 하우징(171) 사이에 밀봉 가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 전지 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(200)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 한다. 캡(178a)는 평평한 부분의 가장자리 영역에 벤트부(179)를 포함할 수 있다. 벤트부(179)의 구성은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 제1집전 플레이트(144')를 통해 양극 권취턴부(48)의 절곡부와 전기적으로 연결된 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전 플레이트(176)를 통해 음극 권취턴부(49)의 절곡부와 전기적으로 연결된 전지 하우징(171)의 상부 표면 중에서 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리(200)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(200)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제2전극 단자로 사용되는 부분(175)은 대략 플랫한 형태를 가지므로 버스바 등의 전기적 연결 부품을 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(200)은 전기적 연결 부품의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
본 발명에 있어서, 도 5에 도시된 것처럼 코어 근처의 권취 턴을 구성하는 무지부는 높이가 낮다. 따라서, 절곡 타겟 영역(D)의 무지부 플래그들을 전극 조립체(110)의 코어(C) 중심을 향해 절곡시키더라도 코어(C)의 공동(112)이 폐색되지 않고 상부로 개방될 수 있다.
공동(112)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(112)을 통해 용접 지그를 삽입하여 집전 플레이트(145)와 전지 하우징(142) 바닥 사이의 용접 또는 집전 플레이트(144')와 단자(172) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 27을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 원통형 배터리(301)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(302)을 포함한다. 원통형 배터리(301)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(301)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(300)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 28은 도 27의 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 28을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 축방향을 따라 돌출된 모양을 가진 무지부의 절곡 타겟 영역을 절곡 방향을 따라 연장된 패턴으로 형성하고, 절곡 타겟 영역의 무지부 플래그들을 절곡함으로써 무지부의 절곡면에 대한 평탄도를 향상시킬 수 있고 절곡면 하부에서 무지부가 불규칙하게 절곡되는 현상을 완화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 축방향 단부에서 절곡 타겟 영역의 주변 영역에 있는 무지부의 권취턴부를 상당 부분 커팅함으로써 전해질이 활물질층으로 빠르게 침투할 수 있는 통로를 제공함으로써 전해질 함침성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 무지부의 권취턴부를 커팅하고 절곡함으로써 전극 조립체의 축방향 높이를 감소시킬 수 있으므로 그 만큼 원통형 배터리의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 무지부의 권취턴부를 커팅하는 과정에서 절곡 타겟 영역 내에 형성되는 복수의 무지부 플래그를 전극 조립체의 반경방향을 따라 절곡시켜 무지부 플래그들이 여러 겹으로 중첩된 절곡 표면영역을 형성한 후 해당 영역에 집전 플레이트를 용접함으로써 원통형 배터리의 저항을 낮출 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수직 커터와 수평 커터를 포함하는 초음파 커팅 장치를 제공함으로써 절곡 타겟 영역이 전극 조립체의 축방향으로 돌출된 상태로 잔류하도록 무지부의 권취턴부를 용이하게 커팅할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 절곡 타겟 영역이 전극 조립체의 축방향으로 돌출된 상태로 잔류하도록 무지부의 권취턴부를 용이하게 커팅할 수 있는 방법을 제공함으로써 전극 조립체의 생산성과 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 에너지 밀도가 높고 저항이 낮은 원통형 배터리들을 이용하여 제조된 대용량의 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공함으로써 급속 충전의 안전성과 에너지 사용의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (49)

  1. 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서,
    상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 장변 단부에 상기 전극 조립체의 축방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함하고,
    상기 전극 조립체의 일측 단부에 상기 무지부의 권취턴부가 구비되고,
    상기 권취턴부는 원주 방향을 따라 교호로 배치된 절단부 및 절곡부를 포함하고,
    상기 절단부의 축방향 높이는 상기 절곡부의 축방향 높이보다 작고,
    상기 절곡부는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 배열된 복수의 무지부 플래그를 포함하고,
    상기 복수의 무지부 플래그는 축방향을 따라 중첩되면서 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡 표면영역을 형성한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절단부는 상기 축방향과 실질적으로 수직을 이루는 제1커팅면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1커팅면은 초음파 커팅면임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 무지부 플래그의 기단부에는 절연 코팅층이 구비되고,
    상기 절연 코팅층의 축방향 단부는 상기 분리막의 축방향 단부의 외측으로 연장되어 노출되고,
    상기 제1커팅면은 상기 절연 코팅층의 축방향 단부와 이격된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축방향에서 보았을 때, 상기 절연 코팅층의 축방향 단부와 상기 양극 또는 상기 음극에 포함된 활물질층의 축방향 단부가 상기 제1커팅면을 통해 노출되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 무지부 플래그는 상기 제1커팅면으로부터 상기 축방향을 따라 돌출된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 무지부 플래그는 상기 제1커팅면으로부터 이격된 절곡 라인을 따라 상기 전극 조립체의 코어 방향을 향해 절곡되어 절곡 표면영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 코어와 가장 인접한 무지부 플래그의 절곡 길이는 해당 무지부 플래그의 위치로부터 상기 코어까지의 거리보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1커팅면은 상기 절곡 표면영역과 이격된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 절곡부는 상기 복수의 무지부 플래그의 측변을 따라 연장된 제2 커팅면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2커팅면은 초음파 커팅면임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2커팅면은 상기 축방향과 평행한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1커팅면과 상기 제2커팅면은 서로 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2커팅면은 평평한 면임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제2커팅면은 라운드진 면임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 축방향과 수직을 이루는 가상의 면과 상기 라운드진 면이 만나는 원호의 이심율은 실질적으로 1임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 원호를 포함하는 가상의 원의 중심과 상기 전극 조립체의 코어 중심은 상기 원호를 기준으로 서로 대향하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 원호를 포함하는 가상의 원의 중심과 상기 전극 조립체의 코어 중심을 연결한 직선을 기준으로 상기 원호는 실질적으로 대칭임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 무지부 플래그는 원주 방향의 폭이 상기 전극 조립체의 코어측으로부터 외주면 측으로 가면서 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 무지부 플래그는 원주 방향의 폭이 상기 전극 조립체의 코어측으로부터 외주면 측으로 가면서 점진적으로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 절단부는 제1 내지 제n절단부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제n절단부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n절단부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 절곡부는 제1 내지 제n절곡부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제n절곡부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n절곡부는 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 절곡 표면영역은 상기 축방향을 따라 3장 이상의 무지부 플래그들이 중첩된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. (a) 쉬트 형상을 가지며 장변 단부에 무지부를 구비한 양극 및 음극을 준비하는 단계;
    (b) 상기 양극 및 상기 음극 사이에 분리막이 개재되도록 상기 양극, 상기 음극 및 상기 분리막을 적어도 1회 적층시키되, 상기 양극 무지부와 상기 음극 무지부가 상기 분리막의 단변 방향을 따라 서로 반대로 노출되도록 상기 전극-분리막 적층체를 형성하는 단계;
    (c) 상기 전극-분리막 적층체를 일 축을 중심으로 권취시켜 상기 양극 무지부의 권취턴부 및 상기 음극 무지부의 권취턴부가 축방향을 따라 서로 반대 방향으로 노출되도록 전극 조립체를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 양극 무지부의 권취턴부 및 상기 음극 무지부의 권취턴부 중 적어도 어느 하나를 커팅하되, 적어도 하나의 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 권취턴부를 커팅함으로써 상기 절곡 타겟 영역 내에 복수의 무지부 플래그를 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 절곡 타겟 영역에 포함된 복수의 무지부 플래그들을 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡시켜 절곡 표면영역을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서, (d) 단계는,
    상기 전극 조립체의 축방향을 따라서 상기 절곡 타겟 영역의 가장자리를 커팅하는 제1커팅 단계; 및
    상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅하는 제2커팅 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1커팅 단계에서,
    상기 전극 조립체의 축방향으로 초음파 진동을 하는 수직 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역의 가장자리를 커팅하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 절곡 타겟 영역의 가장자리에 대한 커팅 라인은 복수이고,
    상기 전극 조립체의 축방향에서 보았을 때 복수의 커팅 라인은 2개씩 쌍을 이루면서 상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장된 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 절곡 타겟 영역의 가장자리에 대한 커팅 라인은 복수이고,
    상기 전극 조립체의 축방향에서 보았을 때 복수의 커팅 라인 각각은 상기 전극 조립체의 코어 중심을 향해 만곡된 원호 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  31. 제27항에 있어서, 상기 제2커팅 단계에서,
    상기 전극 조립체의 축방향과 수직으로 초음파 진동을 하는 수평 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  32. 제27항에 있어서, 상기 제2커팅 단계에서,
    상기 전극 조립체의 축방향과 수직인 평면에서 회전을 하는 수평 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  33. 제27항에 있어서, 상기 제2커팅 단계에서,
    상기 전극 조립체의 축방향과 수직인 평면에서 회전을 하며 상기 평면을 따라 초음파 진동을 하는 수평 커터를 이용하여 상기 절곡 타겟 영역이 상기 축방향을 따라서 돌출된 모양으로 잔류하도록(남도록) 상기 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 커팅하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  34. 제26항에 있어서, 상기 (e) 단계에서,
    상기 축방향을 따라 적어도 3개 이상의 무지부 플래그들이 중첩된 영역이 상기 절곡 표면영역에 포함되도록 상기 복수의 무지부 플래그를 절곡하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조 방법.
  35. 장변 단부에 무지부가 포함된, 양극 및 음극과, 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취된 전극 조립체의 일측 단부에 노출된 무지부의 권취턴부를 커팅 가공하는 초음파 커팅 장치에 있어서,
    상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 배치되는 복수의 절곡 타겟 영역의 가장자리를 축방향을 따라 초음파 커팅하여 상기 절곡 타겟 영역 내에 복수의 무지부 플래그를 형성하는 수직 커터; 및
    상기 복수의 절곡 타겟 영역의 주변 영역을 상기 축방향과 수직으로 초음파 커팅하여 상기 복수의 무지부 플래그를 상기 축방향을 따라 초음파 커팅면으로부터 돌출시키는 수평 커터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 커팅 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 수직 커터는,
    커터 바디; 및
    상기 커버 바다에 결합된 복수의 커터 나이프를 포함하고,
    상기 복수의 커터 나이프는 상기 복수의 절곡 타겟 영역의 가장자리에 대응하도록 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 커팅 장치.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 수평 커터는,
    커터 바디; 및
    상기 커터 바디에 결합된 커터 나이프를 포함하고,
    상기 커터 나이프는 상기 축방향과 수직을 이루는 커팅 평면 상에 놓이도록 상기 커터 바디에 결합되고 상기 원주 방향으로 인접하는 절곡 타겟 영역들 사이의 권취턴부 영역에 대응되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 커팅 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 원주 방향으로 인접하는 절곡 표면영역들 사이의 권취턴부 영역은 상기 전극 조립체의 코어를 향해 만곡된 부분을 포함하고,
    상기 커터 나이프는 상기 만곡된 부분의 곡률 반경과 실질적으로 동일한 반경을 가지는 원반 형태의 회전 나이프인 것을 특징으로 하는 초음파 커팅 장치.
  39. (a) 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 장변 단부에 상기 전극 조립체의 축방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 전극 조립체의 일측 단부에 상기 무지부의 권취턴부를 포함하고, 상기 권취턴부는 원주 방향을 따라 교호로 배치된 절단부 및 절곡부를 포함하고, 상기 절단부의 축방향 높이는 상기 절곡부의 축방향 높이보다 작고, 상기 절곡부는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 배열된 복수의 무지부 플래그를 포함하고, 상기 복수의 무지부 플래그는 축방향을 따라 중첩되면서 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡 표면영역을 형성하는, 전극 조립체;
    (b) 개방단부와 이와 대향되는 폐쇄부를 포함하고, 상기 개방단부를 통해 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 음극과 전기적으로 연결된 전지 하우징;
    (c) 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체;
    (d) 상기 양극과 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 단자; 및
    (e) 상기 절곡 표면영역에 용접되고, 상기 전지 하우징 또는 상기 단자 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 집전 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 단자는 상기 전지 하우징의 폐쇄부에 형성된 관통홀에 설치된 리벳 단자이고,
    상기 리벳 단자와 상기 관통홀 사이에 절연 가스켓이 개재된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 리벳 단자는 상기 집전 플레이트에 용접된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 집전 플레이트는,
    홀을 포함하는 지지부;
    상기 지지부로부터 반경 방향을 따라 연장되며 상기 절곡 표면영역에 용접되는 적어도 하나 이상의 레그부;
    상기 홀의 내측에 구비된 접속부; 및
    상기 지지부와 상기 접속부를 연결하는 브릿지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  43. 제39항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 개방단부가 상기 코어를 향해 절곡되어 형성된 클림핑부를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는 상기 전지 하우징의 개방단부를 커버하는 캡과, 상기 캡과 상기 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하고,
    상기 클림핑부는 상기 밀봉 가스켓을 상기 캡의 가장자리를 향해 압착하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 개방단부에 인접한 영역에 비딩부를 더 포함하고,
    상기 집전 플레이트의 가장자리의 적어도 일부는 상기 비딩부의 내측면과 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 비딩부의 내측면과 결합된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 집전 플레이트의 가장자리의 적어도 일부는 상기 비딩부의 내측면에 용접된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 집전 플레이트는,
    지지부;
    상기 지지부로부터 반경 방향을 따라 연장되고 상기 절곡 표면영역에 용접되는 적어도 하나 이상의 레그부; 및
    상기 지지부 또는 상기 레그부로부터 상기 비딩부를 향해 연장되어 상기 비딩부의 내측면에 결합되는 하우징 접속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  47. 제43항에 있어서,
    상기 캡은 상기 단자에 해당하고,
    상기 집전 플레이트는,
    지지부;
    상기 지지부로부터 외측으로 연장되고 상기 절곡 표면영역과 용접된 적어도 하나 이상의 레그부; 및
    상기 지지부 또는 상기 레그부로부터 연장되어 상기 캡에 결합되는 리드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리.
  48. 제39항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따른 원통형 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  49. 제48항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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US18/272,742 US20250079530A1 (en) 2021-11-24 2022-11-24 Electrode assembly and manufacturing apparatus and method thereof, cylindrical battery including the electrode assembly, and battery pack and vehicle including the same
EP22899071.9A EP4325611A4 (en) 2021-11-24 2022-11-24 ELECTRODE ASSEMBLY, METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING SAME, CYLINDRICAL BATTERY COMPRISING AN ELECTRODE ASSEMBLY, AND BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE CYLINDRICAL BATTERY
CN202280037830.4A CN117397076A (zh) 2021-11-24 2022-11-24 电极组件及其制造设备和方法、包括电极组件的圆柱形电池和包括其的电池组和车辆
JP2023542620A JP7801351B2 (ja) 2021-11-24 2022-11-24 電極組立体、その製造方法及び装置、電極組立体を含む円筒形バッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024260263A1 (zh) * 2023-06-20 2024-12-26 蔚来汽车科技(安徽)有限公司 用于圆柱电池的集流盘组件和圆柱电池
WO2025249821A1 (ko) * 2024-05-29 2025-12-04 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120109317B (zh) * 2025-05-08 2025-08-08 珠海市嘉德电能科技有限公司 一种电芯顶封边折叠固化设备及其加工方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1173995A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Sanyo Electric Co Ltd 円筒型非水電解液二次電池及びその製造方法
JP2001015096A (ja) * 1999-06-28 2001-01-19 Nec Corp 非水電解液二次電池およびその製造方法
US6677082B2 (en) 2000-06-22 2004-01-13 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
US6680143B2 (en) 2000-06-22 2004-01-20 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
KR20060010484A (ko) * 2004-07-28 2006-02-02 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 이차 전지제조 방법
JP2011216403A (ja) * 2010-04-01 2011-10-27 Hitachi Vehicle Energy Ltd 角形リチウムイオン二次電池
KR20160113612A (ko) * 2014-01-28 2016-09-30 에이일이삼 시스템즈, 엘엘씨 원주형 전기화학 셀 및 제조 방법
KR20180116156A (ko) * 2017-04-14 2018-10-24 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 이차전지의 제조 방법
KR20220107707A (ko) 2021-01-26 2022-08-02 엘지전자 주식회사 냉장고

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11111259A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 捲回式電池
JPH11283606A (ja) * 1998-01-28 1999-10-15 Denso Corp 円筒型電池およびその製造方法
US6456484B1 (en) * 1999-08-23 2002-09-24 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Electric double layer capacitor
DE10341355B4 (de) * 2003-09-08 2006-04-20 Dilo Trading Ag Als Lamellenverbund ausgebildete elektrische Zelle mit einem Ableiterabschnitt und Verfahren zur Herstellung der Zelle
JP2007335156A (ja) * 2006-06-13 2007-12-27 Honda Motor Co Ltd 蓄電素子
JP2008066040A (ja) * 2006-09-05 2008-03-21 Sony Corp 電池およびその製造方法
CN102217116B (zh) * 2008-11-21 2015-03-18 江森自控帅福得先进能源动力系统有限责任公司 用于电化学电池的集电器
EP2728647B1 (en) * 2011-06-28 2018-10-10 Nippon Chemi-Con Corporation Battery and method for manufacturing the same
CN107112147B (zh) * 2015-01-14 2019-02-01 Ls美创有限公司 改进接线端的结构的电能储存装置
GB2564670B (en) * 2017-07-18 2020-08-19 Dyson Technology Ltd Electrochemical energy storage device
KR102535745B1 (ko) * 2017-10-11 2023-05-23 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
KR102578859B1 (ko) * 2018-02-09 2023-09-13 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
CN114128023B (zh) * 2019-07-30 2024-03-29 株式会社村田制作所 二次电池、电池包、电子设备、电动工具、电动航空器及电动车辆
WO2021020119A1 (ja) * 2019-07-30 2021-02-04 株式会社村田製作所 二次電池、電池パック、電子機器、電動工具、電動式航空機及び電動車両
CN111326699B (zh) * 2019-08-14 2021-11-09 宁德时代新能源科技股份有限公司 二次电池
CN110931887A (zh) * 2019-11-16 2020-03-27 银隆新能源股份有限公司 锂电池卷芯极片、锂电池卷芯制备方法及圆柱形锂电池
CN110957466A (zh) * 2019-11-28 2020-04-03 苏州安靠电源有限公司 电池极片、电池卷芯和圆柱形电池
CN213878178U (zh) * 2020-12-14 2021-08-03 天津市捷威动力工业有限公司 锂离子圆柱电池
CN112909445A (zh) * 2021-01-26 2021-06-04 苏州宇量电池有限公司 一种单头双极的多极耳圆柱锂离子电池
CN113346201A (zh) * 2021-05-21 2021-09-03 湖北亿纬动力有限公司 圆柱型电池、电池模组和电池包

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1173995A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Sanyo Electric Co Ltd 円筒型非水電解液二次電池及びその製造方法
JP2001015096A (ja) * 1999-06-28 2001-01-19 Nec Corp 非水電解液二次電池およびその製造方法
US6677082B2 (en) 2000-06-22 2004-01-13 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
US6680143B2 (en) 2000-06-22 2004-01-20 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
KR20060010484A (ko) * 2004-07-28 2006-02-02 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 이차 전지제조 방법
JP2011216403A (ja) * 2010-04-01 2011-10-27 Hitachi Vehicle Energy Ltd 角形リチウムイオン二次電池
KR20160113612A (ko) * 2014-01-28 2016-09-30 에이일이삼 시스템즈, 엘엘씨 원주형 전기화학 셀 및 제조 방법
KR20180116156A (ko) * 2017-04-14 2018-10-24 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 이차전지의 제조 방법
KR20220107707A (ko) 2021-01-26 2022-08-02 엘지전자 주식회사 냉장고

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4325611A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024260263A1 (zh) * 2023-06-20 2024-12-26 蔚来汽车科技(安徽)有限公司 用于圆柱电池的集流盘组件和圆柱电池
WO2025249821A1 (ko) * 2024-05-29 2025-12-04 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 및 그 제조 방법 및 장치, 전극 조립체를 포함하는 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차

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