WO2024019545A1 - 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

Info

Publication number
WO2024019545A1
WO2024019545A1 PCT/KR2023/010443 KR2023010443W WO2024019545A1 WO 2024019545 A1 WO2024019545 A1 WO 2024019545A1 KR 2023010443 W KR2023010443 W KR 2023010443W WO 2024019545 A1 WO2024019545 A1 WO 2024019545A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode assembly
diameter
battery
center hole
current collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2023/010443
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박상진
김지환
우재영
이관희
이병구
이준수
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Energy Solution Ltd filed Critical LG Energy Solution Ltd
Priority to EP23843391.6A priority Critical patent/EP4496111A4/en
Priority to JP2025502676A priority patent/JP2025526331A/ja
Priority to CA3252770A priority patent/CA3252770A1/en
Priority to CN202380024389.0A priority patent/CN118786572A/zh
Publication of WO2024019545A1 publication Critical patent/WO2024019545A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/147—Lids or covers
    • H01M50/148—Lids or covers characterised by their shape
    • H01M50/152—Lids or covers characterised by their shape for cells having curved cross-section, e.g. round or elliptic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/213—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for cells having curved cross-section, e.g. round or elliptic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/249—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/538—Connection of several leads or tabs of wound or folded electrode stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to batteries, battery packs containing the same, and automobiles.
  • Secondary batteries are typically configured to reduce the internal pressure through venting of internal gas when a problem occurs and the internal pressure increases. In this way, if venting occurs smoothly when the internal pressure is above a certain level, accidents such as explosions due to a continuous increase in internal pressure can be prevented.
  • the electrode assembly When thermal runaway occurs, the electrode assembly may be ejected out of the housing too quickly, which may cause a short inside the secondary battery or an external short due to fragments of the ejected electrode assembly and/or other metal parts. You can.
  • the ejected part of the electrode assembly may enter the discharge route of the internal gas before venting occurs due to partial rupture of the housing.
  • smooth venting may be hindered by blockage. If venting is not smooth like this, the internal pressure can increase significantly, which can lead to a large explosion.
  • the present invention was created in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to prevent or delay as much as possible the structural collapse of the electrode assembly in the event of an increase in internal pressure and/or a thermal event due to a battery abnormality. do.
  • a battery according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problems includes an electrode assembly having a winding center hole formed by winding a laminate including a first electrode, a second electrode, and a separator interposed therebetween; a housing configured to receive the electrode assembly through an opening formed on one side; and a current collector having a diameter larger than the diameter of the winding center hole and formed at a position corresponding to the winding center hole, the current collector being coupled to one side of the electrode assembly at the opening side of the housing.
  • the winding center hole may be located inside the current collector hole.
  • the difference between the diameter of the current collector hole and the diameter of the winding center hole divided by the diameter of the winding center hole may be equal to or greater than 0.015 and less than 0.4.
  • the diameter of the winding center hole may be equal to or greater than 5.0 mm and less than 7.0 mm.
  • the difference between the diameter of the current collector hole and the diameter of the winding center hole may be equal to or greater than 0.1 and less than 2.0.
  • the current collector may be electrically connected to the housing.
  • the battery may include a cap configured to cover the opening.
  • the cap may be provided with a venting portion that is configured to be weaker compared to the surrounding area so that it can be broken when the internal pressure increases.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an open upper portion of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a plan view showing a combination of an electrode assembly and a current collector of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram for explaining the increase in normal force due to a decrease in the diameter of the winding center hole of the electrode assembly.
  • Figure 4 is a diagram for explaining the increase in friction force due to the increase in normal force formed in the core of the electrode assembly.
  • 5 to 7 are CT photographs showing changes in the discharge amount of the electrode assembly depending on the diameter of the winding center hole of the electrode assembly.
  • Figure 8 is a diagram showing the upper structure of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a plan view showing the venting portion formed in the cap of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram showing the structure of the lower portion of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 11 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a diagram showing a car according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 are diagram showing an open upper portion of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a plan view showing a combination of an electrode assembly and a current collector of the present invention.
  • the battery 1 may be a cylindrical battery.
  • the battery 1 may include an electrode assembly 10, a housing 20, and a current collector (first current collector) 30.
  • the electrode assembly 10 may have a winding center hole 10a formed by winding a laminate including a first electrode, a second electrode, and a separator interposed between them.
  • the first electrode may have a first uncoated portion 11 formed at one end along the winding direction. In this case, the first uncoated portion 11 may be provided on one side of the electrode assembly 10.
  • the housing 20 may be configured to accommodate the electrode assembly 10 through an opening formed on one side. Although not shown in FIG. 1, a closed portion may be provided on the opposite side of the open portion.
  • the housing 20 may include conductive metal. In Figure 1 of the present invention, one side of the housing 20 is shown in an open state, but the open portion may be closed by a separate part.
  • the current collector 30 may be disposed on one side of the electrode assembly 10 on the open side of the housing 20.
  • the current collector 30 may be electrically coupled to the first uncoated portion 11 of the electrode assembly 10.
  • the first uncoated portion 11 may be formed at one end of the first electrode constituting the electrode assembly 10.
  • the first uncoated portion 11 may extend along the winding direction of the electrode assembly 10.
  • the first uncoated portion 11 may be provided on one side of the electrode assembly 10 and, for example, may extend upward of the electrode assembly 10.
  • the current collector 30 may be configured to electrically connect the first electrode of the electrode assembly 10 and the housing 20.
  • the current collector 30 may include a current collector hole 30a.
  • the current collector hole 30a may be formed at a position corresponding to the winding center hole 10a of the electrode assembly 10.
  • the current collector hole 30a may have a diameter R2 larger than the diameter R1 of the winding center hole 10a of the electrode assembly 10.
  • the winding center hole 10a of the electrode assembly 10 may be located inside the current collector hole 30a. That is, the current collector 30 may be arranged so as not to even partially cover the winding center hole 10a of the electrode assembly 10.
  • the electrolyte when the combined body of the electrode assembly 10 and the current collector 30 is accommodated in the housing 20 and the electrolyte is injected, the electrolyte is circulated through the winding center hole 10a. It can be done smoothly.
  • a closed portion located opposite to the open portion of the housing 20 is irradiated with a laser for welding or a device for welding is inserted through the winding center hole 10a. The process of welding components such as terminals provided on the side can be easily performed.
  • the current collector 30 covers even a portion of the winding center hole 10a of the electrode assembly 10, there may be a problem in that the flow circulation of the electrolyte is not smooth during the electrolyte injection process as described above.
  • the current collector 30 covers even a portion of the winding center hole 10a of the electrode assembly 10, there is a problem in that the welding process through the winding center hole 10a cannot be smoothly performed and/or welding. During the process, a problem may occur in which the inner wall surface of the winding center hole 10a is damaged.
  • FIGS. 3 to 7 are CT photographs showing changes in the discharge amount of the electrode assembly depending on the diameter of the winding center hole of the electrode assembly.
  • the core exposure ratio is the difference between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a of the electrode assembly 10 divided by the diameter R1 of the winding center hole 10a.
  • (A: core exposure ratio) may be approximately 0.015 to 0.5.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately equal to or greater than 0.015 and less than 0.4.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately equal to or greater than 0.072 and less than 0.3.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately 0.016 to 0.5.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately equal to or greater than 0.016 and less than 0.4.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately equal to or greater than 0.077 and less than 0.3.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately 0.016 to 0.416.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately 0.016 to 0.333.
  • the core exposure ratio (A) may be approximately equal to or greater than 0.077 and
  • the diameter R1 of the winding center hole 10a may be approximately equal to or larger than 5.0 mm and smaller than 7.0 mm.
  • the diameter R1 of the winding center hole 10a may be equal to or greater than approximately 5.0 mm and less than approximately 6.5 mm.
  • the diameter R1 of the winding center hole 10a may be approximately equal to or larger than 6.0 mm and smaller than 6.5 mm.
  • the difference (R2-R1) between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a may be approximately 0.1 mm to 2.5 mm.
  • the difference (R2-R1) between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a may be approximately equal to or greater than 0.1 mm and less than 2.0 mm.
  • the difference (R2-R1) between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a may be approximately equal to or greater than 0.5 mm and less than 1.5 mm.
  • This numerical range takes into account all of the following: suppressing deformation of the core of the electrode assembly 10, ensuring smooth electrolyte circulation, ensuring ease of welding process, and ensuring ease of alignment of the current collector 30 and the electrode assembly 10. .
  • the influence of the diameter R1 of the winding center hole 10a and the diameter R2 of the current collector hole 30a on the resistance to suppress discharge of the core portion of the electrode assembly 10 will be described in detail below. .
  • the core portion of the electrode assembly 10 resists the upward discharge force due to an increase in normal force as the diameter R1 of the winding center hole 10a decreases. This increases. This means that, as the normal force applied outward from the core portion of the electrode assembly 10 increases, the friction force between each neighboring layer of the laminate including the first electrode, the second electrode, and the separator increases. Because it increases.
  • the friction force between each layer of the laminate may act as a resistance force against the discharge force caused by the core portion of the electrode assembly 10 increasing the internal pressure of the battery 1. Therefore, when this frictional force increases, discharge of the core portion of the electrode assembly 10 can be suppressed.
  • FIGS. 5 to 7 in the case where discharge of the core portion of the electrode assembly 10 occurs due to an increase in the internal pressure of the battery 1, the actual winding center of the electrode assembly 10 It can be seen that as the hole 10a becomes smaller, the length of the core portion of the electrode assembly 10 discharged toward the opening of the housing 20 becomes shorter.
  • Figure 5 shows a case where the diameter R1 of the winding center hole 10a is approximately 6 mm
  • Figure 6 shows a case where the diameter R1 of the winding center hole 10a is approximately 7 mm
  • Figure 7 shows a case where the diameter R1 of the winding center hole 10a is approximately 7 mm.
  • the core portion of the electrode assembly 10 was discharged upward due to a thermal event in the battery 1, but the discharged portion was not exposed to the outside of the battery 1.
  • the discharge length of the core portion of the electrode assembly 10 is very short.
  • the discharge length of the core portion of the electrode assembly 10 is very long and that the discharge is discharged upward even at positions far away from the core portion of the electrode assembly 10.
  • the diameter R1 of the winding center hole 10a divided by the diameter of the electrode assembly 10 may be approximately 0.109 to 0.159.
  • the diameter R1 of the winding center hole 10a divided by the diameter of the electrode assembly 10 may be approximately 0.109 to 0.147.
  • the diameter R1 of the winding center hole 10a divided by the diameter of the electrode assembly 10 may be approximately 0.130 to 0.147.
  • the difference between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a divided by the diameter of the electrode assembly 10 may be approximately 0.002 to 0.056.
  • the difference between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a divided by the diameter of the electrode assembly 10 may be approximately 0.002 to 0.045.
  • the difference between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a divided by the diameter of the electrode assembly 10 may be approximately 0.011 to 0.034.
  • the resistance that suppresses discharge of the core portion of the electrode assembly 10 is the absolute value of the diameter R1 of the winding center hole 10a of the electrode assembly 10 and the diameter R2 of the current collector hole 30a, as well as the absolute value of the electrode assembly 10. It may also be influenced by the ratio of the diameter R1 of the winding center hole 10a to the overall diameter of the assembly 10.
  • the diameter of the electrode assembly 10 of the present invention may be, for example, approximately 44 mm to 46 mm.
  • the circulation of the electrolyte through the winding center hole 10a may not be smooth and/or the housing 20 may not be opened through the winding center hole 10a.
  • the process of welding parts located on the opposite side of the unit is not smooth.
  • the diameter R2 of the current collector hole 30a formed in the current collector 30 may also affect determining the resistance to suppress discharge from the core portion of the electrode assembly 10.
  • the process of aligning the winding center hole 10a to be disposed within the current collector hole 30a may not be easy. If the winding center hole 10a is not accurately located within the current collector hole 30a, the winding center hole 10a may be partially covered by the current collector 30. This may interfere with the injection/circulation of the electrolyte through the winding center hole 10a, and may also interfere with the welding process performed through the winding center hole 10a. Therefore, taking this into consideration, it is necessary to set a lower limit of the difference between the diameter R2 of the current collector hole 30a and the diameter R1 of the winding center hole 10a.
  • R1 is 6.5 mm or more
  • R2-R1 is formed to be 2.5 mm or less.
  • measures may be taken to limit R1 to approximately less than 6.5 mm and/or to limit R2-R1 to approximately less than 2.0 mm and/or to limit R2-R1 to approximately less than 1.5 mm, thereby The effect of suppressing deformation of the core can be further improved.
  • FIGS. 8 to 10 the overall structure of the battery 1 according to an embodiment of the present invention will be described by way of example.
  • Figure 8 is a diagram showing the upper structure of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a plan view showing the venting portion formed in the cap of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram showing the structure of the lower portion of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the current collector 30 may be configured to be electrically connected to the housing 20.
  • the current collector 30 may be electrically coupled to a beading portion having a structure in which the outer peripheral surface of the housing 20 is pressed inward.
  • the battery 1 may include a cap 40 configured to cover an opening formed on one side of the housing 20.
  • the cap 40 may be electrically insulated from the electrode assembly 10 and the housing 20 and may be configured to have no polarity.
  • a first insulating member G1 may be interposed between the cap 40 and the housing 20.
  • the cap 40 may be provided with a venting portion 40a configured to break when the internal pressure of the battery 1 increases.
  • the venting portion 40a may be configured to be weak compared to the surrounding area.
  • the venting portion 40a may correspond to an area having a thinner thickness compared to the remaining area of the cap 40.
  • the venting portion 40a may extend to form a closed loop within the cap 40 as shown in FIG. 8 .
  • the discharge suppression force of the core portion of the electrode assembly 10 as described above is secured. This is even more important. If the discharge suppressing force of the core portion is not secured, the space formed between the cap 40 and the current collector 30 before the internal gas is discharged due to the rupture of the venting portion 40a formed in the cap 40. A filling phenomenon may occur by the core portion of the discharged electrode assembly 10. In this case, even if the venting portion 40a is broken, smooth gas discharge may not be achieved, which may result in the thermal event spreading.
  • the battery 1 may include a first terminal T1.
  • the first terminal T may be electrically coupled to the second uncoated portion 12 of the electrode assembly 10. Similar to the first uncoated area 11 described above, the second uncoated area 12 may be formed at one end of the second electrode.
  • the second uncoated portion 12 may extend along the winding direction of the electrode assembly 10.
  • the second uncoated portion 12 may be provided on one of both sides of the electrode assembly 10 opposite to the side on which the first uncoated portion 11 is provided, for example, toward the lower side of the electrode assembly 10. It may be extended.
  • the first terminal T may be partially inserted into the inside of the housing 20 through a closed portion of the housing 20.
  • the first terminal T may be configured to be insulated from the housing 20.
  • the second insulating member G2 may be interposed between the first terminal T and the housing 20.
  • the outer surface of the closed part of the housing 20 can function as the second terminal T2.
  • the battery 1 may include a current collector (second current collector) P configured to electrically connect the first terminal T1 and the electrode assembly 10.
  • the current collector (P) may be electrically coupled to the first terminal (T1).
  • a laser is irradiated from the open side of the housing 20 through the winding center hole 10a of the electrode assembly 10, or a welding tool is inserted to connect the current collector P and the first terminal ( T1) The liver can be welded.
  • an insulator (IS) may be interposed between the current collector (P) and the closed portion of the housing 20.
  • the insulator IS can prevent contact between the current collector P and the housing 20, which are configured to have different polarities.
  • FIG. 11 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 3 may include at least one battery 1 of the present invention as described above.
  • the battery 1 may be accommodated within the pack housing 2.
  • the battery pack 3 may include components for electrically connecting the batteries 1 and/or a BMS (Battery Management System) configured to control charging and discharging of the batteries 1.
  • BMS Battery Management System
  • Figure 12 is a diagram showing a car according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle 5 includes at least one battery pack 3.
  • the vehicle 5 may be configured to operate by receiving power from the battery pack 3.
  • the vehicle 5 may be, for example, a hybrid vehicle (HEV) or an electric vehicle (EV).
  • HEV hybrid vehicle
  • EV electric vehicle

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Gas Exhaust Devices For Batteries (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 제1 전극, 제2 전극 및 그 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층체가 권취되어 형성되는 권취 중심 홀을 구비하는 전극 조립체; 일 측에 형성되는 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하도록 구성되는 하우징; 및 상기 권취 중심 홀의 직경보다 더 큰 직경을 가지며 상기 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전체 홀을 구비하며, 상기 하우징의 상기 개방부 측에서 전극 조립체의 일 면 상에 결합되는 집전체; 를 포함한다.

Description

배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 07월 19일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2022-0089125호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차전지는 통상적으로 문제가 발생되어 내압이 상승하는 경우 내부 가스의 벤팅을 통해 내압을 감소시킬 수 있도록 구성된다. 이처럼 일정 수준 이상의 내압 형성 시에 벤팅이 원활하게 발생되는 경우, 내압의 지속적인 상승에 따른 폭발 등의 사고를 방지할 수 있다.
그러나, 적절한 시점에 벤팅이 발생하는 것을 방해하는 요소가 존재하거나, 내압 증가에 따른 구조 붕괴 등으로 인한 쇼트가 발생하는 경우에는 써멀 이벤트(thermal event)가 확산될 수 있으며, 이로써 이차전지 사용 상의 안전성이 크게 저해될 수 있다.
이러한 위험 요소의 제거를 위한 써멀 런어웨이 테스트(thermal runaway test) 등을 진행함에 있어서 벤팅의 발생 이 후 전극 조립체의 일부가 하우징의 외부로 토출되는 등 쇼트 발생의 리스크가 존재한다.
써멀 런어웨이 발생 시 전극 조립체의 하우징 외부로의 분출이 너무 빠르게 일어날 수 있으며, 이로써 이차전지 내부에서의 쇼트 발생 또는 분출된 전극 조립체 및/또는 그 밖의 금속 부품의 파편 등으로 인한 외부 쇼트가 발생될 수 있다.
그 밖에도, 내압 증가 및/또는 하우징 내부의 써멀 이벤트로 인한 전극 조립체의 분출 현상이 너무 빠르게 일어나는 경우, 하우징의 부분적인 파단에 의한 벤팅 발생 이 전에 전극 조립체의 분출된 일부가 내부 가스의 배출 루트를 막아 원활한 벤팅이 방해 받을 우려도 있을 수 있다. 이처럼 벤팅이 원활하지 못하게 되는 경우, 내압이 크게 증가할 수 있으며, 이는 큰 폭발로 이어질 수 있다.
따라서, 이차전지의 이상에 의한 내압 증가에 있어서 전극 조립체의 구조적 붕괴를 방지 또는 최대한 지연시킬 수 있는 구조를 갖는 이차전지 구조 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리의 이상에 의한 내압 증가 및/또는 써멀 이벤트가 발생된 경우에 있어서 전극 조립체의 구조적 붕괴를 방지 또는 최대한 지연시킬 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 제1 전극, 제2 전극 및 그 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층체가 권취되어 형성되는 권취 중심 홀을 구비하는 전극 조립체; 일 측에 형성되는 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하도록 구성되는 하우징; 및 상기 권취 중심 홀의 직경보다 더 큰 직경을 가지며 상기 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전체 홀을 구비하며, 상기 하우징의 상기 개방부 측에서 전극 조립체의 일 면 상에 결합되는 집전체; 를 포함한다.
상기 권취 중심 홀은, 상기 집전체 홀의 내측에 위치할 수 있다.
상기 집전체 홀의 직경과 상기 권취 중심 홀의 직경의 차이를 상기 권취 중심 홀의 직경으로 나눈 값은 0.015와 같거나 이보다 크고 0.4보다는 작을 수 있다.
상기 권취 중심 홀의 직경은 5.0mm와 같거나 이보다 크고 7.0mm보다는 작을 수 있다.
상기 집전체 홀의 직경과 상기 권취 중심 홀의 직경의 차이는 0.1과 같거나 이보다 크고 2.0보다는 작을 수 있다.
상기 집전체는, 상기 하우징과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 배터리는, 상기 개방부를 커버하도록 구성되는 캡을 포함할 수 있다.
상기 캡은, 내압 증가 시에 파단 가능하도록 주변 영역과 비교하여 취약하게 구성되는 벤팅부를 구비할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 이상에 의한 내압 증가 및/또는 써멀 이벤트가 발생된 경우에 있어서 전극 조립체의 구조적 붕괴를 방지 또는 최대한 지연시킬 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 도출되는 유리한 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 유리한 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 상부(upper portion)가 개방된 모습을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 전극 조립체와 집전체가 결합된 결합체를 나타내는 평면도이다.
도 3은 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경 감소에 따른 수직항력 증가를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 전극 조립체의 코어에서 형성되는 수직 항력 증가에 따른 마찰력 증가를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경에 따른 전극 조립체 토출량 변화를 나타내는 CT 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 상부 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 캡에 형성된 벤팅부를 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 하부(lower portion) 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(1)를 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 상부(upper portion)가 개방된 모습을 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 전극 조립체와 집전체가 결합된 결합체를 나타내는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(1)는 원통형 배터리일 수 있다. 상기 배터리(1)는 전극 조립체(10), 하우징(20) 및 집전체(제1 집전체)(30)를 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(10)는 제1 전극, 제2 전극 및 그 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층체가 권취되어 형성되는 권취 중심 홀(10a)을 구비할 수 있다. 상기 제1 전극은 일 단부에 권취 방향을 따라 형성되는 제1 무지부(11)를 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 무지부(11)는 전극 조립체(10)의 일 면 상에 구비될 수 있다.
상기 하우징(20)은 일 측에 형성되는 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하도록 구성될 수 있다. 도 1에는 도시되어 있지 않으나, 상기 개방부의 반대 편에는 폐쇄부가 구비될 수 있다. 상기 하우징(20)은 도전성 금속을 포함할 수 있다. 본 발명의 도 1에서는 상기 하우징(20)의 일 측이 개방된 상태를 도시하고 있으나, 개방부는 별도의 부품에 의해 폐쇄될 수 있다.
상기 집전체(30)는 하우징(20)의 개방부 측에서 전극 조립체(10)의 일 면 상에 배치될 수 있다. 상기 집전체(30)는 예를 들어 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는 전극 조립체(10)를 구성하는 제1 전극의 일 단부에 형성될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 연장될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는 전극 조립체(10)의 일 면 상에 구비될 수 있으며, 예를 들어 전극 조립체(10)의 상방으로 연장될 수 있다. 한편, 본 발명의 도 1에서는 도시되어 있지 않으나, 집전체(30)는 전극 조립체(10)의 제1 전극과 하우징(20) 간을 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
상기 집전체(30)는 집전체 홀(30a)을 구비할 수 있다. 상기 집전체 홀(30a)은 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 상기 집전체 홀(30a)은 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)보다 더 큰 직경(R2)을 가질 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)은 집전체 홀(30a)의 내측에 위치할 수 있다. 즉, 상기 집전체(30)는 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)을 부분적으로라도 가리지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구성에 따르면, 전극 조립체(10)와 집전체(30)가 결합된 결합체를 하우징(20) 내에 수용시킨 후 전해액을 주액 하였을 때 권취 중심 홀(10a)을 통한 전해액의 순환이 원활하게 이루어질 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 이와 같은 구성에 따르면, 상기 권취 중심 홀(10a)을 통해 용접을 위한 레이저를 조사하거나 용접을 위한 장치를 삽입하여 하우징(20)의 개방부 반대 편에 위치하는 폐쇄부 측에 구비되는 단자 등의 부품을 용접하는 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
상기 집전체(30)가 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)을 일부라도 가리게 된다면, 상술한 바와 같은 전해액 주액 공정 시에 전해액의 흐름 순환이 원활하지 못하게 되는 문제점이 있을 수 있다. 다른 측면에서, 상기 집전체(30)가 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)을 일부라도 가리게 된다면, 권취 중심 홀(10a)을 통한 용접 공정이 원활히 이루어지지 못하게 되는 문제점 및/또는 용접 공정 시에 권취 중심 홀(10a)의 내벽면이 손상되는 문제점이 발생될 수 있다.
다음은, 도 1 및 도 2와 함께 도 3 내지 도 7을 참조하여 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)의 직경 변화에 따른 전극 조립체(10)의 코어부 변형 정도의 차이에 대해서 설명하기로 한다. 도 3은 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경 감소에 따른 수직항력 증가를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 전극 조립체의 코어에서 형성되는 수직 항력 증가에 따른 마찰력 증가를 설명하기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 7은 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경에 따른 전극 조립체 토출량 변화를 나타내는 CT 사진이다.
상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이를 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)으로 나눈 값인 코어 노출 비율(A: core exposure ratio)은 대략 0.015 내지 0.5 일 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.015와 같거나 이보다 크고 0.4보다는 작을 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.072와 같거나 이보다 크고 0.3보다는 작을 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.016 내지 0.5일 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.016과 같거나 이보다 크고 0.4보다는 작을 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.077과 같거나 이보다 크고 0.3보다는 작을 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.016 내지 0.416일 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.016 내지 0.333일 수 있다. 상기 코어 노출 비율(A)은 대략 0.077과 같거나 이보다 크고 0.25보다는 작을 수 있다.
상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)은 대략 5.0mm와 같거나 이보다 크고 7.0mm 보다는 작을 수 있다. 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)은 대략 5.0mm와 같거나 이보다 크고 대략 6.5mm 보다는 작을 수 있다. 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)은 대략 6.0mm와 같거나 이보다 크고 6.5mm 보다는 작을 수 있다.
상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이(R2-R1)는 대략 0.1mm 내지 2.5mm 일 수 있다. 상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이(R2-R1)는 대략 0.1mm 와 같거나 이보다 크고 2.0mm 보다는 작을 수 있다. 상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이(R2-R1)는 대략 0.5mm 와 같거나 이보다 크고 1.5mm 보다는 작을 수 있다.
이러한 수치 범위는, 상기 전극 조립체(10)의 코어 변형 억제, 전해액 순환의 원활성 확보, 용접 공정의 용이성 확보, 집전체(30)와 전극 조립체(10)의 정렬의 용이성 확보 등을 모두 고려한 것이다. 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)과 집전체 홀(30a)의 직경(R2)이 전극 조립체(10)의 코어부의 토출을 억제하는 저항력에 미치는 영향에 대해서는 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경이 감소하면 전극 조립체(10)의 코어부로부터 외측을 향해 가해지는 수직 항력이 증가하게 된다. 이는, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)이 작아질수록 전극 조립체(10)가 갖는 곡률이 증가하게 되고, 이로 인해 제1 전극, 제2 전극 및 분리막을 포함하는 적층체가 권취된 상태에서 갖는 복원력에 의한 텐션이 강해지기 때문이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 4를 참조하면, 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)이 감소함에 따른 수직 항력 증가로 인해 전극 조립체(10)의 코어부가 상방으로 토출되는 힘에 대한 저항력이 증가하게 된다. 이는, 상기 전극 조립체(10)의 코어부로부터 외측을 향해 가해지는 수직 항력의 증가에 따라 제1 전극, 제2 전극 및 분리막을 포함하는 적층체의 서로 이웃하는 각각의 레이어들 사이에서의 마찰력이 증가하기 때문이다.
상기 적층체의 각각의 레이어들 사이에서의 마찰력은 전극 조립체(10)의 코어부가 배터리(1)의 내압 증가에 따른 토출 힘에 대한 저항력으로 작용할 수 있다. 따라서, 이러한 마찰력이 증가하는 경우 전극 조립체(10)의 코어부의 토출을 억제할 수 있다.
도 1 및 도 2와 함께 도 5 내지 도 7을 참조하면, 배터리(1)의 내압 증가로 인한 전극 조립체(10)의 코어부 토출이 발생되는 경우에 있어서, 실제로 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)이 작아질수록 전극 조립체(10)의 코어부가 하우징(20)의 개구부를 향해 토출되는 길이가 더 짧게 형성됨을 알 수 있다. 도 5는 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)이 대략 6mm인 경우이고, 도 6은 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)이 대략 7mm인 경우이며, 도 7은 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)이 대략 8mm인 경우이다. 도 6 및 도 7의 경우, 배터리(1)에 써멀 이벤트에 의해 전극 조립체(10)의 코어부가 상방으로 토출되기는 하였으나, 토출된 부분이 배터리(1)의 외부로 노출되지는 않았다. 특히, 도 5의 경우 전극 조립체(10)의 코어 부분의 토출 길이가 매우 짧다는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 7의 경우, 전극 조립체(10)의 코어 부분의 토출 길이가 매우 길고 전극 조립체(10)의 코어부로부터 멀리 떨어진 위치까지도 상방으로 토출 되었음을 알 수 있다.
이처럼, 전극 조립체(10)의 코어 부분의 토출 정도가 큰 경우 불필요한 전기적 접촉에 의한 쇼트 발생에 따른 추가적인 써멀 이벤트의 발생 및/또는 토출된 부분에 의해 내부 가스 배출이 방해 받는 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(10)의 코어부 토출이 일정 수준 미만으로 발생하도록 하기 위해 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)을 본 발명에서 제시하는 수준으로 조절할 필요가 있다.
한편, 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)을 전극 조립체(10)의 직경으로 나눈 값은 대략 0.109 내지 0.159 일 수 있다. 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)을 전극 조립체(10)의 직경으로 나눈 값은 대략 0.109 내지 0.147 일 수 있다. 상기 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)을 전극 조립체(10)의 직경으로 나눈 값은 대략 0.130 내지 0.147 일 수 있다.
한편, 상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이를 전극 조립체(10)의 직경으로 나눈 값은 대략 0.002 내지 0.056 일 수 있다. 상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이를 전극 조립체(10)의 직경으로 나눈 값은 대략 0.002 내지 0.045 일 수 있다. 상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이를 전극 조립체(10)의 직경으로 나눈 값은 대략 0.011 내지 0.034 일 수 있다.
상기 전극 조립체(10)의 코어부 토출을 억제 하는 저항력은, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1) 및 집전체 홀(30a)의 직경(R2)의 절대적인 수치 외에도 전극 조립체(10)의 전체 직경 대비 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 비(ratio)에 의해서도 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 전극 조립체(10)의 직경은, 예를 들어 대략 44mm 내지 46mm 일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)이 지나치게 커지게 되면 써멀 이벤트 발생에 따른 전극 조립체(10)의 코어부 토출에 대한 억제력이 부족할 수 있다. 따라서, 이를 고려하여 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 상한 값을 설정할 필요가 있다.
반대로, 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)이 지나치게 작게 되면 권취 중심 홀(10a)을 통한 전해액의 순환이 원활하지 않은 문제 및/또는 권취 중심 홀(10a)을 통해 하우징(20)의 개방부 반대 편에 위치하는 부품을 용접하는 공정이 원활하지 않은 문제가 있을 수 있다. 특히, 권취 중심 홀(10a)을 통해 레이저를 조사하여 용접을 수행하고자 하는 경우, 레이저가 권취 중심 홀(10a) 내로 안정적으로 입사되도록 하기 위해 충분한 공간을 확보할 필요가 있다. 따라서, 이를 고려하여 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 하한 값을 설정할 필요가 있다.
한편, 상기 집전체(30)에 형성되는 집전체 홀(30a)의 직경(R2)도 전극 조립체(10)의 코어부에서의 토출을 억제하는 저항력을 결정하는데 영향을 미칠 수 있다.
상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)이 지나치게 크게 형성되는 경우, 전극 조립체(10)의 코어부가 토출되는 것을 억제하는 효과가 감소하게 된다. 따라서, 이를 고려하여 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이 값의 상한이 설정될 필요가 있다.
반대로, 상기 집전체 홀(30a)의 직경(R2)이 지나치게 작게 형성되는 경우, 집전체 홀(30a) 내에 권취 중심 홀(10a)이 배치되도록 정렬하는 공정이 용이하지 않을 수 있다. 상기 집전체 홀(30a) 내에 권취 중심 홀(10a)이 정확히 위치하지 않는 경우, 집전체(30)에 의해 권취 중심 홀(10a)이 부분적으로 가려질 수 있다. 이는, 권취 중심 홀(10a)을 통한 전해액의 주액/순환에 방해가 될 수 있으며, 또한 권취 중심 홀(10a)을 통해 수행되는 용접 공정에도 방해가 될 수 있다. 따라서, 이를 고려하여 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이 값의 하한이 설정될 필요가 있다.
홀의 직경 Venting 후 Core 분석
(TEST 1):
R1: 8mm
R2-R1: 0.5mm 		전극 조립체 솟음 확률 100% (4/4ea)
솟아오른 길이 약 10-20mm
(TEST 2):
R1: 7mm
R2-R1: 0.5mm 		전극 조립체 솟음 확률 87.5% (7/8ea)
솟아오른 길이 약 0-15mm
(TEST 3):
R1: 6mm
R2-R1: 0.5mm 		전극 조립체 솟음 확률 0% (0/5ea)
솟아오른 길이 0mm
(TEST 4):
R1: 8mm
R2-R1: 0.5mm 		전극 조립체 솟음 확률 100% (4/4ea)
솟아오른 길이 약 10-20mm
(TEST 5):
R1: 7mm
R2-R1: 1.5mm 		전극 조립체 솟음 확률 100% (5/5ea)
솟아오른 길이 약 5-20mm
(TEST 6):
R1: 6mm
R2-R1: 2.5mm 		전극 조립체 솟음 확률 0% (0/3ea)
솟아오른 길이 0mm
(TEST 7):
R1: 6.5mm
R2-R1: 2mm 		전극 조립체 솟음 확률 83%(5/6ea)
솟아오른 길이 약 10-30mm
앞서 참조했던 도면들과 함께 상기 표 1을 참조하면, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)의 직경이 대략 7mm 미만인 경우에는 대체로 좋은 결과가 나타났음을 알 수 있다. 즉, 권취 중심 홀(10a)의 직경이 대략 7mm 미만인 경우에는 배터리(1)의 내부에서 발생된 써멀 이벤트가 발생되더라도 전극 조립체(10)의 코어부의 변형이 억제됨을 알 수 있다.
한편, 표 1에 나타난 실험 결과를 살펴보면, 이러한 코어부 변형 억제력은 집전체 홀(30a)의 직경(R2)과 권취 중심 홀(10a)의 직경(R1)의 차이에 의해서도 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. R1이 7mm 미만으로 유지되면서 R2-R1이 대략 2.5mm 이하로 형성되는 경우에 코어부 변형 억제력이 충분히 형성됨을 알 수 있다.
다만, R1이 6.5mm 이상인 경우에는 R2-R1이 2.5mm 이하로 형성되더라도 TEST 5 및 TEST 7에서 나타난 바와 같이 코어의 변형이 발생될 가능성이 있다. 이를 고려하면, R1을 대략 6.5mm 미만으로 제한하는 조치 및/또는 R2-R1을 대략 2.0mm 미만으로 제한하는 조치 및/또는 R2-R1을 대략 1.5mm 미만으로 제한하는 조치를 할 수 있으며, 이로써 코어의 변형 억제 효과를 좀 더 향상시킬 수 있다.
다음은, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(1)의 전체적인 구조를 예시적으로 설명하기로 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 상부 구조를 나타내는 도면이다. 도 9는 본 발명의 캡에 형성된 벤팅부를 나타내는 평면도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 하부(lower portion) 구조를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 집전체(30)는 하우징(20)과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 집전체(30)는, 예를 들어 하우징(20)의 외주면이 내측으로 압입된 구조를 갖는 비딩부 상에 전기적으로 결합될 수 있다.
상기 배터리(1)는, 하우징(20)의 일 측에 형성되는 개방부를 커버하도록 구성되는 캡(40)을 포함할 수 있다. 상기 캡(40)은 전극 조립체(10) 및 하우징(20)과 전기적으로 절연되어 극성을 갖지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 캡(40)과 하우징(20) 사이에 제1 절연 부재(G1)가 개재될 수 있다.
상기 캡(40)은 배터리(1)의 내압 증가 시에 파단 가능하도록 구성되는 벤팅부(40a)를 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(40a)는 주변 영역과 비교하여 취약하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 벤팅부(40a)는 캡(40)의 나머지 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당할 수 있다. 상기 벤팅부(40a)는 도 8에 도시된 바와 같이 캡(40) 내에서 폐루프를 형성하도록 연장될 수 있다.
본 발명의 배터리(1)가 이와 같이 캡(40)을 구비하고, 캡(40)에 벤팅부(40a)가 구비되는 경우, 앞서 설명한 바와 같은 전극 조립체(10)의 코어부의 토출 억제력을 확보하는 것은 더욱 중요하다. 만약, 코어부의 토출 억제력이 확보되지 않는다면, 캡(40)에 형성된 벤팅부(40a)의 파단에 따라 내부 가스가 배출되기 이 전에, 캡(40)과 집전체(30) 사이에 형성되는 공간이 토출된 전극 조립체(10)의 코어부에 의해 채워지는 현상이 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 벤팅부(40a)가 파단되더라도 원활한 가스 배출이 이루어지지 못할 수 있으며, 이는 써멀 이벤트가 확산되는 결과로 이어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 배터리(1)는 제1 단자(T1)를 포함할 수 있다. 상기 제1 단자(T)는 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 결합될 수 있다. 앞서 설명한 제1 무지부(11)와 유사하게 제2 무지부(12)는 제2 전극의 일 단부에 형성될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 연장될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는 전극 조립체(10)의 양 면 중 제1 무지부(11)가 구비된 면과 반대측 면 상에 구비될 수 있으며, 예를 들어 전극 조립체(10)의 하방으로 연장될 수 있다. 상기 제1 단자(T)는 예를 들어 하우징(20)의 폐쇄부를 통해 하우징(20)의 내측으로 일부가 삽입될 수 있다. 상기 제1 단자(T)는 하우징(20)과 절연되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 단자(T)와 하우징(20) 사이에 제2 절연 부재(G2)가 개재될 수 있다. 이처럼 제1 단자(T1)가 하우징(20)의 폐쇄부 측에 구비되는 경우, 하우징(20)의 폐쇄부의 외부 면은 제2 단자(T2)로서 기능할 수 있다.
상기 배터리(1)는 제1 단자(T1)와 전극 조립체(10) 간을 전기적으로 연결시키도록 구성되는 집전체(제2 집전체)(P)를 포함할 수 있다. 상기 집전체(P)는 제1 단자(T1)와 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징(20)의 개방부 측으로부터 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)을 통해 레이저를 조사하거나 또는 용접을 위한 도구를 삽입하여 집전체(P)와 제1 단자(T1) 간을 용접할 수 있다.
본 발명의 배터리(1)가 집전체(P)를 구비하는 경우 집전체(P)와 하우징(20)의 폐쇄부 사이에는 인슐레이터(IS)가 개재될 수 있다. 상기 인슐레이터(IS)는 서로 다른 극성을 갖도록 구성되는 집전체(P)와 하우징(20) 간의 접촉을 방지할 수 있다.
다음은, 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 설명하기로 한다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 배터리(1)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 배터리(1)는 팩 하우징(2) 내에 수용될 수 있다. 상기 배터리 팩(3)은 배터리(1)들의 전기적 연결을 위한 부품 및/또는 배터리(1)의 충방전을 제어하도록 구성되는 BMS(Battery management system) 등을 포함할 수 있다.
다음은, 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)를 설명하기로 한다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는 적어도 하나의 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는 배터리 팩(3)에 의해 전력을 공급 받아 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 자동차(5)는 예를 들어 하이브리드 자동차(HEV) 또는 전기 자동차(EV)일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
1: 배터리
2: 팩 하우징
3: 배터리 팩
5: 자동차
10: 전극 조립체
11: 제1 무지부
12: 제2 무지부
10a: 권취 중심 홀
20: 하우징
30: 집전체(제1 집전체)
30a: 집전체 홀
40: 캡
40a: 벤팅부
T1: 제1 단자
T2: 제2 단자
P: 집전체(제2 집전체)
IS: 인슐레이터

Claims (10)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 그 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층체가 권취되어 형성되는 권취 중심 홀을 구비하는 전극 조립체;
    일 측에 형성되는 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하도록 구성되는 하우징; 및
    상기 권취 중심 홀의 직경보다 더 큰 직경을 가지며 상기 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전체 홀을 구비하며, 상기 하우징의 상기 개방부 측에서 전극 조립체의 일 면 상에 결합되는 집전체;
    를 포함하는,
    배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권취 중심 홀은,
    상기 집전체 홀의 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 홀의 직경과 상기 권취 중심 홀의 직경의 차이를 상기 권취 중심 홀의 직경으로 나눈 값은 0.015와 같거나 이보다 크고 0.4보다는 작은 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 권취 중심 홀의 직경은 5.0mm와 같거나 이보다 크고 7.0mm보다는 작은 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 홀의 직경과 상기 권취 중심 홀의 직경의 차이는 0.1과 같거나 이보다 크고 2.0보다는 작은 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는,
    상기 하우징과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 개방부를 커버하도록 구성되는 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캡은,
    내압 증가 시에 파단 가능하도록 주변 영역과 비교하여 취약하게 구성되는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    배터리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
PCT/KR2023/010443 2022-07-19 2023-07-19 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Ceased WO2024019545A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23843391.6A EP4496111A4 (en) 2022-07-19 2023-07-19 BATTERY, AND BATTERY BLOCK AND VEHICLE INCLUDING THEREON
JP2025502676A JP2025526331A (ja) 2022-07-19 2023-07-19 バッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車
CA3252770A CA3252770A1 (en) 2022-07-19 2023-07-19 BATTERY, BATTERY BLOCK, AND VEHICLE INCLUDING A BATTERY
CN202380024389.0A CN118786572A (zh) 2022-07-19 2023-07-19 电池及包括该电池的电池组和车辆

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0089125 2022-07-19
KR20220089125 2022-07-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024019545A1 true WO2024019545A1 (ko) 2024-01-25

Family

ID=89618289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/010443 Ceased WO2024019545A1 (ko) 2022-07-19 2023-07-19 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP4496111A4 (ko)
JP (1) JP2025526331A (ko)
KR (1) KR20240011645A (ko)
CN (1) CN118786572A (ko)
CA (1) CA3252770A1 (ko)
WO (1) WO2024019545A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2026084500A1 (ko) * 2024-10-17 2026-04-23 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 팩

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5738690A (en) * 1994-07-06 1998-04-14 Hughett; Elmer Method of filling battery cell
JP2004171980A (ja) * 2002-11-21 2004-06-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd アルカリ蓄電池とその製造方法
US20050147878A1 (en) * 2003-08-28 2005-07-07 Matsushita Electrial Industrial Co., Ltd. Battery and method for manufacturing the same
US20110171504A1 (en) * 2009-07-17 2011-07-14 Shunsuke Yasui Battery and battery unit
JP2019215965A (ja) * 2018-06-11 2019-12-19 Fdk株式会社 二次電池
KR20220089125A (ko) 2020-12-21 2022-06-28 강교연 마스크 팩 부착 가능한 마스크

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5196824B2 (ja) * 2007-03-29 2013-05-15 三洋電機株式会社 円筒型電池及びその製造方法
JP2008251199A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd アルカリ蓄電池用電極およびアルカリ蓄電池
JP2010080294A (ja) * 2008-09-26 2010-04-08 Panasonic Corp 二次電池
JP2018055812A (ja) * 2016-09-26 2018-04-05 Fdk株式会社 集電リード、この集電リードを含むアルカリ二次電池の製造方法及びこの製造方法により製造したアルカリ二次電池
CA3202295A1 (en) * 2020-12-29 2022-07-07 Lg Energy Solution, Ltd. Cylindrical battery cell, and battery pack and vehicle comprising same
CN216250920U (zh) * 2021-10-20 2022-04-08 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池单体、电池及用电设备

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5738690A (en) * 1994-07-06 1998-04-14 Hughett; Elmer Method of filling battery cell
JP2004171980A (ja) * 2002-11-21 2004-06-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd アルカリ蓄電池とその製造方法
US20050147878A1 (en) * 2003-08-28 2005-07-07 Matsushita Electrial Industrial Co., Ltd. Battery and method for manufacturing the same
US20110171504A1 (en) * 2009-07-17 2011-07-14 Shunsuke Yasui Battery and battery unit
JP2019215965A (ja) * 2018-06-11 2019-12-19 Fdk株式会社 二次電池
KR20220089125A (ko) 2020-12-21 2022-06-28 강교연 마스크 팩 부착 가능한 마스크

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4496111A4

Also Published As

Publication number Publication date
CN118786572A (zh) 2024-10-15
JP2025526331A (ja) 2025-08-13
EP4496111A1 (en) 2025-01-22
CA3252770A1 (en) 2025-03-18
KR20240011645A (ko) 2024-01-26
EP4496111A4 (en) 2025-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020085815A1 (ko) 배터리 셀 손상을 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차
WO2020138818A1 (ko) 버스바 프레임의 움직임을 제한하는 가이드를 구비하는 배터리 모듈과, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2023075304A1 (ko) 버스 바 일체형 셀 프레임을 포함하는 배터리 모듈
WO2024019545A1 (ko) 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2022092566A1 (ko) 이차 전지
WO2022154431A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024186189A1 (ko) 내화 코팅층이 탈리되어 벤팅홀이 개방되는 배터리 모듈
WO2024106989A1 (ko) 전극 조립체 및 이를 포함하는 배터리, 그리고 이러한 배터리를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2024143754A1 (ko) 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량
WO2024248250A1 (ko) 원통형 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2026079948A1 (ko) 전극 조립체, 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2026023962A1 (ko) 배터리, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
WO2025143570A1 (ko) 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2025063380A1 (ko) 벤트를 갖는 이차전지
WO2025042210A1 (ko) 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차
WO2024144194A1 (ko) 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단
WO2026095463A1 (ko) 버스바 및 이를 포함하는 배터리 팩
WO2024019551A1 (ko) 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2025105598A1 (ko) 배터리 셀 및 이를 구비하는 배터리 모듈
WO2024106864A1 (ko) 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
WO2025075474A1 (ko) 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2025143571A1 (ko) 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2025034023A1 (ko) 집전체, 배터리 셀, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
WO2024232545A2 (ko) 원통형 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2026079861A1 (ko) 배터리 셀, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23843391

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202380024389.0

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023843391

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023843391

Country of ref document: EP

Effective date: 20241016

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202417096254

Country of ref document: IN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2025502676

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE