WO2024258153A1 - 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • the fuse devices currently used in secondary batteries include PTC thermistors (positive temperature coefficient thermistors) and TCOs (thermal cut-outs).
  • PTC thermistors positive temperature coefficient thermistors
  • TCOs thermo cut-outs
  • PTC and TCOs have a disadvantage in that their own resistance increases as they are repeatedly operated, thereby increasing the overall resistance of the circuit.
  • the above-mentioned devices are operated by heat generation due to overcurrent.
  • the above-mentioned devices are devices that operate to block the flow of current only when overcurrent occurs in the circuit current path due to overcharging, etc., and the temperature rises as a result.
  • a secondary battery that can be used in an environment where high current flows, and that has a structure that can cut off the current in advance when an event that could cause a temperature rise (e.g., an increase in the internal pressure of a secondary battery) occurs before the temperature rises to a level that could cause a safety problem.
  • a temperature rise e.g., an increase in the internal pressure of a secondary battery
  • the present invention has been created in consideration of the above-described problems, and has as its primary purpose the provision of a battery cell having a structure capable of quickly cutting off current when an abnormality occurs in the battery cell, and a battery pack and an automobile including the same.
  • a battery cell includes: an electrode assembly; a housing having an opening formed on one side to accommodate the electrode assembly and a closing portion formed on an opposite side of the opening portion; a current collector disposed between the electrode assembly and the closing portion and electrically coupled to the electrode assembly; a terminal electrically coupled to the electrode assembly through the closing portion; and a CID interposed between the terminal and the current collector and coupled to the current collector with a greater bonding force than the terminal.
  • the area of the bonding surface between the CID and the current collector may be wider than the area of the bonding surface between the CID and the terminal.
  • the bonding surface formed at the lower end of the above terminal may be provided at a position corresponding to the winding center hole of the electrode assembly.
  • the above CID can be coupled to the current collector on the inner and outer sides of the region corresponding to the winding center hole.
  • the above-described current collector may include a first coupling portion electrically coupled to the electrode assembly; and a second coupling portion positioned spaced apart from the first coupling portion along a radial direction of the electrode assembly and provided at a position corresponding to a winding center hole of the electrode assembly.
  • the above CID can be coupled with both the first coupling portion and the second coupling portion.
  • the above CID can be configured to cover both the first coupling portion and the second coupling portion along the radial direction of the electrode assembly.
  • the above battery cell may include a CID gasket interposed between the closure and the current collector, and which maintains a separation state when a separation occurs between the closure and the current collector due to an increase in pressure inside the housing.
  • the above CID gasket may be configured to have elastic restoring force in the direction of expansion between the closing portion and the collector.
  • the above CID gasket may be configured to expand as the temperature inside the housing increases.
  • the above CID gasket may be interposed, at least in part, between the CID and the closure.
  • the above battery cell may include a battery cap configured to cover the opening.
  • the above battery cap may have a venting portion configured to be vulnerable compared to the surroundings.
  • the joint between the terminal and the CID may be configured to rupture at a pressure lower than the venting pressure of the venting portion.
  • a battery pack includes a battery cell of the present invention.
  • a vehicle includes a battery pack of the present invention.
  • the current can be cut off in advance before venting of the battery cell occurs, thereby further improving the safety of using the secondary battery.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the upper portion structure of a battery cell according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a drawing for explaining the fracture of the joint between parts as the internal pressure of the battery cell illustrated in FIG. 1 increases.
  • FIG. 3 is a drawing for explaining a phenomenon in which, when the CID of the present invention is omitted in the battery cell illustrated in FIGS. 1 and 2, the joint portion of the terminal and the current collector moves together without breaking as the terminal rises.
  • FIG. 4 is a drawing for explaining a phenomenon in which the joining portion of a terminal and a CID is broken as the terminal rises when the CID of the present invention is applied to the battery cell illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 5 is a drawing showing a battery cell to which a current collector of a different type from the current collector illustrated in FIG. 1 is applied.
  • FIG. 6 is a drawing for explaining the fracture of the joint between parts as the internal pressure of the battery cell illustrated in FIG. 5 increases.
  • FIGS. 7 and 8 are drawings showing exemplary forms of current collectors applied to the battery cells illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 9 is a drawing for explaining a phenomenon in which, when the CID of the present invention is omitted in the battery cell illustrated in FIGS. 5 and 6, the joint portion of the terminal and the current collector moves together without breaking as the terminal rises.
  • FIG. 10 is a drawing for explaining a phenomenon in which, in the battery cell illustrated in FIGS. 5 and 6, when the CID of the present invention is connected only to the second connecting portion of the current collector, the connecting portion of the terminal and the CID moves together without breaking as the terminal rises.
  • FIG. 11 is a drawing for explaining a phenomenon in which the joining portion of a terminal and a CID is broken as the terminal rises when the CID of the present invention is joined to both the first joining portion and the second joining portion of a current collector in the battery cell illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 12 is a drawing showing a battery cell to which a CID gasket is additionally applied in the battery cell illustrated in FIG. 5.
  • FIG. 13 is a drawing for explaining the fracture of the joint between parts as the internal pressure of the battery cell illustrated in FIG. 12 increases.
  • FIGS. 14 and 15 are drawings showing a battery cell having a structure in which the CID gasket is positioned at a different position compared to the battery cell illustrated in FIG. 12.
  • Fig. 16 is a drawing showing the appearance of a battery cell of the present invention.
  • Figure 17 is a drawing showing the overall internal structure of the battery cell illustrated in Figure 16.
  • Fig. 18 is a partial cross-sectional view showing the lower portion structure of the battery cell of the present invention.
  • FIG. 19 is a drawing showing a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a drawing showing a vehicle according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the structure of the upper portion of a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a drawing for explaining fracture of a joint portion between components as the internal pressure of the battery cell illustrated in FIG. 1 increases.
  • FIG. 3 is a drawing for explaining a phenomenon in which, in the battery cell illustrated in FIGS. 1 and 2, when the CID of the present invention is omitted, the joint portion of a terminal and a current collector moves together without fracture as the terminal rises
  • FIG. 4 is a drawing for explaining a phenomenon in which, in the battery cell illustrated in FIGS. 1 and 2, when the CID of the present invention is applied, the joint portion of a terminal and a CID is fractured as the terminal rises.
  • a battery cell (1) may include an electrode assembly (10), a housing (20), a current collector (first current collector) (30), a terminal (40), and a CID (current interruption device) (50).
  • the electrode assembly (10) may include a first electrode, a second electrode, and a separator interposed between the first electrode and the second electrode.
  • the electrode assembly (10) may be, for example, a jellyroll type electrode assembly in which a laminate including the first electrode, the second electrode, and the separator is rolled in one direction.
  • the electrode assembly (10) may have a first uncoated portion (11) at an upper end.
  • the first uncoated portion (11) refers to a region of the first electrode where an electrode active material is not coated.
  • the first uncoated portion (11) may be formed at one end of the first electrode and may extend along the rolling direction of the electrode assembly (10).
  • the first uncoated portion (11) may extend upward along the height direction (the direction parallel to the Z-axis) of the electrode assembly (10).
  • the housing (20) may be configured to accommodate an electrode assembly (10) through an opening provided on one side.
  • the housing (20) may be provided with a closed portion formed on the opposite side of the opening portion.
  • the current collector (30) may be placed between the electrode assembly (10) and the closing portion of the housing (20).
  • the current collector (30) may be electrically coupled to the electrode assembly (10).
  • one side of the current collector (30) may be coupled to the first non-conductive portion (11) provided at the upper end of the electrode assembly (10).
  • the coupling between the current collector (30) and the electrode assembly (10) may be accomplished by, for example, laser welding, ultrasonic welding, or the like.
  • the first non-woven portion (11) may have segments formed by being segmented along the winding direction of the electrode assembly (10), and these segments may be folded toward the core of the electrode assembly (10), for example.
  • the folded segments of the first non-woven portion (11) may be overlapped with each other to form a plurality of layers.
  • the current collector (30) may be bonded to an approximately flat surface formed by the folding of the first non-woven portion (11).
  • the terminal (40) can be electrically coupled to the electrode assembly (10) through the closed portion of the housing (20).
  • the terminal (40) can, for example, penetrate approximately the center of the closed portion of the housing (20).
  • the terminal (40) can be secured, for example, by riveting on the inner surface of the closed portion of the housing (20).
  • the CID (50) may be interposed between the terminal (40) and the current collector (30).
  • the CID (50) may be a plate including a conductive metal.
  • the CID (50) may have a first surface that may be coupled to the terminal (40), and a second surface that is opposite the first surface may be coupled to the current collector (30).
  • the CID (50) may be coupled with a stronger bonding force to the current collector (30) than to the terminal (40). That is, the bonding force between the first surface of the CID (50) and the terminal (40) may be formed stronger than the bonding force between the second surface of the CID (50) and the current collector (30).
  • the bonding portion between the terminal (40) and the CID (50) can be quickly broken when the housing (20) expands due to an increase in the internal pressure of the battery cell (1), thereby blocking the flow of current through the terminal (40).
  • a phenomenon may occur in which the joint portion between the current collector (30) and the electrode assembly (10) is partially broken before the joint portion between the current collector (30) and the terminal (40) is broken, and/or a phenomenon may occur in which the joint portion between the current collector (30) and the terminal (40) is delayed in breaking as the current collector (30) bends.
  • the difference in bonding strength as described above may be caused, for example, by a difference in bonding area.
  • the area of the bonding surface between the CID (50) and the current collector (30) may be formed wider than the area of the bonding surface between the CID (50) and the terminal (40).
  • the assembly including the electrode assembly (10), the current collector (30) and the CID (50) can be pushed through the opening of the housing (20) so that the CID (50) comes into contact with the bottom surface of the terminal (40).
  • the current collector (30), the CID (50) and the terminal (40) can be welded by inserting a welding device or irradiating a laser through the winding center hole (10a) formed approximately at the center of the electrode assembly (10).
  • the welding area between the CID (50) and the terminal (40) is smaller than the welding area between the current collector (30) and the CID (50)
  • the fracture of the welding area between the terminal (40) and the CID (50) due to an increase in internal pressure can be quickly achieved.
  • the bonding surface formed at the lower end of the terminal (40) may be provided at a position corresponding to the winding center hole (10a) of the electrode assembly (10).
  • the current collector (30) cannot be bonded to the electrode assembly (10) at a position corresponding to the bonding portion of the CID (50) and the terminal (40). Therefore, when the closing portion is bent due to an increase in the internal pressure of the battery cell (1) and the terminal (40) rises accordingly, the current collector (30) may be bent in an area corresponding to the winding center hole (10a). This bending of the current collector (30) may be a cause of preventing the breakage of the bonding portion between the terminal (40) and the CID (50).
  • the rigidity of the current collector (30) can be reinforced by the CID (50), and thereby the breakage of the bonding portion between the terminal (40) and the CID (50) can occur more quickly.
  • the CID (50) can be coupled with the current collector (30) on the inner side (region B) and outer side (region A) of the region corresponding to the winding center hole (10a).
  • the bending of the current collector (30) and the CID (50) can be further suppressed, and thus the fracture of the joint portion of the terminal (40) and the CID (50) can occur more quickly.
  • the battery cell (1) of the present invention may include an insulator (IS) and/or an insulating gasket (G1).
  • the insulator (IS) may be placed in a space formed between the closing portion of the housing (20) and the current collector (30).
  • the insulator (IS) may include an insulating material.
  • the insulator (IS) may prevent contact between the current collector (30) and the housing (20), which are configured to have different polarities.
  • the insulating gasket (G1) may be interposed between the terminal (40) and the housing (20).
  • the insulating gasket (G1) may include an insulating material.
  • the insulating gasket (G1) may prevent contact between the terminal (40) and the housing (20), which are configured to have different polarities.
  • FIG. 5 is a drawing showing a battery cell to which a current collector of a different form from that shown in FIG. 1 is applied
  • FIG. 6 is a drawing for explaining fracture of a joint portion between components as the internal pressure of the battery cell shown in FIG. 5 increases.
  • FIGS. 7 and 8 are drawings showing exemplary forms of current collectors applied to the battery cells shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 9 is a drawing for explaining a phenomenon in which, in the battery cell shown in FIGS. 5 and 6, when the CID of the present invention is omitted, the joint portion of a terminal and a current collector moves together without fracture as the terminal rises.
  • FIG. 5 is a drawing showing a battery cell to which a current collector of a different form from that shown in FIG. 1 is applied
  • FIG. 6 is a drawing for explaining fracture of a joint portion between components as the internal pressure of the battery cell shown in FIG. 5 increases.
  • FIGS. 7 and 8 are drawings showing exemplary forms of current collectors applied to the battery cells shown in
  • FIG. 10 is a drawing for explaining a phenomenon in which, in the battery cell shown in FIGS. 5 and 6, when the CID of the present invention is connected only to the second joint portion of the current collector, the joint portion of a terminal and a CID moves together without fracture as the terminal rises.
  • FIG. 11 is a drawing for explaining a phenomenon in which the connection portion of a terminal and a CID is broken as the terminal rises when the CID of the present invention is connected to both the first connection portion and the second connection portion of the current collector in the battery cell illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • the current collector (30) may include a first coupling portion (31) and a second coupling portion (32).
  • the first coupling portion (31) may be electrically coupled to the electrode assembly (10).
  • the first coupling portion (31) may be coupled to, for example, the first non-conductive portion (11) of the electrode assembly (10).
  • the second coupling portion (32) may be positioned apart from the first coupling portion (31) along the radial direction of the electrode assembly (10).
  • the second coupling portion (32) may be coupled to the terminal (40) with the CID (50) interposed therebetween.
  • the first coupling portion (31) provided for coupling with the electrode assembly (10) and the second coupling portion (32) provided for coupling with the terminal (40) are not directly connected to each other but are indirectly connected. Therefore, when an impact is applied to either the welding portion formed in the first coupling portion (31) or the welding portion formed in the second coupling portion (32), the impact can be prevented from being directly transmitted to the other portion. This can reduce the risk of damage to the welding portion due to external impact.
  • the second coupling portion (32) may be provided at a position corresponding to the winding center hole (10a) of the electrode assembly (10).
  • the second coupling portion (32) is illustrated as having a larger size to cover the winding center hole (10a), but the present invention is not limited thereto.
  • the second coupling portion (32) may have a size substantially the same as or smaller than the winding center hole (10a).
  • the current collector (30) may include a connecting portion (33) configured to electrically connect the first connecting portion (31) and the second connecting portion (32).
  • the connecting portion (33) may include a rim portion (33a) having a substantially rim shape with a hollow center, and a bridge portion (33b) connecting the rim portion (33a) and the second connecting portion (32).
  • One or more bridge portions (33b) may be provided.
  • the first connecting portion (31) may extend inward from the rim portion (33a).
  • the first connecting portions (31) may be provided in plurality.
  • the second connecting portion (32) may be arranged to be surrounded by a plurality of first connecting portions (31).
  • the CID (50) may be coupled with both the first coupling portion (31) and the second coupling portion (32).
  • the CID (50) may be configured to cover both the first coupling portion (31) and the second coupling portion (32) along the radial direction of the electrode assembly (10).
  • FIG. 12 is a drawing showing a battery cell to which a CID gasket is additionally applied in the battery cell shown in FIG. 5, and
  • FIG. 13 is a drawing for explaining breakage of a joint portion between parts due to an increase in the internal pressure of the battery cell shown in FIG. 12.
  • FIGS. 14 and 15 are drawings showing a battery cell having a structure in which the CID gasket is positioned at a different position compared to the battery cell shown in FIG. 12.
  • the battery cell (1) of the present invention may include a CID gasket (60).
  • the CID gasket (60) may include an insulating material.
  • the CID gasket (60) may be interposed between the closing portion of the housing (20) and the current collector (30).
  • the CID gasket (60) may maintain the separation state when a separation occurs between the current collectors (30) due to an increase in pressure inside the housing (20).
  • the CID gasket (60) may be configured to have an elastic restoring force in the direction of expansion between the closing portion of the housing (20) and the current collector (30).
  • the CID gasket (60) may be interposed between the closing portion and the current collector (30) in a compressed state so as to have a thickness corresponding to the distance between the closing portion and the current collector (30).
  • the closing portion of the housing (20) that swells upward due to an increase in internal pressure may not be restored to its original shape and may remain in a deformed state.
  • the terminal (40) may rise together, and thus the joint portion between the terminal (40) and the CID (50) may be broken.
  • the CID gasket (60) is applied, the terminal (40) and the CID (50) may be maintained in a state where they are separated from each other, and thus the state in which the flow of current through the terminal (40) is blocked may be maintained.
  • the CID gasket (60) may be configured to expand as the temperature inside the housing (20) increases. That is, the CID gasket (60) may include a material that expands due to heat. For example, the CID gasket (60) may include a foamed resin. The CID gasket (60) may be configured to expand at a temperature at which, for example, the closing portion of the housing (20) swells upward.
  • the CID gasket (60) may be positioned so that at least a portion thereof is interposed between the CID (50) and the closing portion of the housing (20).
  • the CID gasket (60) When the CID gasket (60) is positioned in this manner, the joint portion between the current collector (30) and the electrode assembly (10) may be pressurized by the CID gasket (60). Accordingly, when the terminal (40) is raised, the phenomenon in which the joint portion between the current collector (30) and the electrode assembly (10) is damaged before the joint portion between the terminal (40) and the CID (50) is damaged can be prevented.
  • the CID gasket (60) may be positioned entirely on the CID (50), as illustrated in FIG. 15.
  • the position of the CID gasket (60) of the present invention is not limited thereto, and the entire area may be positioned entirely on the outside of the CID (50), as illustrated in FIG. 14.
  • FIG. 16 is a drawing showing the appearance of the battery cell of the present invention
  • FIG. 17 is a drawing showing the overall internal structure of the battery cell shown in FIG. 16
  • FIG. 18 is a partial cross-sectional view showing the structure of the lower portion of the battery cell of the present invention.
  • the joint portion between the terminal (40) and the CID (50) of the present invention described above may be configured to be ruptured at a pressure lower than the venting pressure of the venting portion (71), i.e., the pressure at which the venting portion (71) ruptures. This is to ensure safety in battery use by blocking the flow of current through the terminal (40) before a thermal event due to venting spreads.
  • the battery cell (1) of the present invention may include a sealing gasket (G2) interposed between the battery cap (70) and the inner surface of the housing (20).
  • the sealing gasket (G2) may be configured to enhance the sealing property of the housing (20).
  • the battery cell (1) of the present invention may be configured such that the terminal (40) and the closing portion of the housing (20) function as a first electrode terminal and a second electrode terminal, respectively.
  • the terminal (40) may be electrically connected to the first uncharged portion (11) of the electrode assembly (10) through the current collector (first current collector) (30), thereby having a first polarity.
  • the housing (20) may be electrically connected to the second uncharged portion (12) of the electrode assembly (10), thereby having a second polarity.
  • the second non-coated portion (12) can have segments, and the segments can be bent toward the core of the electrode assembly (10).
  • the segments of the folded second plain portion (12) can be overlapped to form multiple layers. In this way, when the segments of the first plain portion (12) are folded, the second current collector (P) can be bonded to an approximately flat surface formed by the folding of the second plain portion (12).
  • the second current collector (P) may be coupled to the inner surface of the housing (20).
  • the housing (20) may have a beading portion (21) pressed along the outer circumference.
  • the housing (20) may have a crimping portion (22) formed by extending and bending from the beading portion (21) to wrap around the edge of the battery cap (70).
  • the second current collector (P) may be interposed between one surface of the beading portion (21) and the sealing gasket (G2).
  • a battery pack (3) may include a battery cell (1) according to an embodiment of the present invention and a pack housing (2) accommodating the battery cell (1).
  • the battery cell (1) may be provided in plurality, and the plurality of battery cells (1) may be electrically connected to each other.
  • the battery cell (1) of the present invention may be configured such that the terminal (40) and the closing portion of the housing (20) may function as a first electrode terminal and a second electrode terminal, respectively (see FIG. 17 and FIG. 18). Therefore, when arranging a plurality of battery cells (1) within the pack housing (2), electrical connection may be made at the upper portion of the battery cells (1) by arranging all of the battery cells (1) with the terminals (40) facing upward.
  • FIG. 20 is a drawing showing a vehicle according to one embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 일 측에 구비되는 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 개방부의 반대편에 형성되는 폐쇄부를 구비하는 하우징; 상기 전극 조립체와 상기 폐쇄부 사이에 배치되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 집전체; 상기 폐쇄부를 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 단자; 및 상기 단자와 상기 집전체 사이에 개재되며 상기 단자보다 상기 집전체와 더 큰 결합력으로 결합되는 CID; 를 포함한다.

Description

배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2023년 06월 15일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2023-0077099호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 이차전지에 쓰이는 퓨즈 장치로는 PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out) 등이 있다. 그러나, PTC나 TCO는 동작을 반복할수록 자체 저항이 증가하여 회로상의 전체적인 저항을 높이게 된다는 단점이 있다.
또한, 상기 언급한 소자들은, 모두 과전류에 의한 발열에 의해서 작동되는 것이다. 즉, 상기 언급한 소자들은, 과충전 등으로 인해 회로 전류 경로상에 과전류가 발생되고 이로써 온도가 상승하게 되어야 비로소 전류의 흐름을 차단하도록 동작하는 소자들에 해당하는 것이다.
따라서, 상기 언급한 소자들의 경우, 발열로 인해 이미 안전이 위협 받을 수 있는 상황이 된 이 후에 비로소 동작을 하여 과전류를 차단할 수 있게 되고, 온도를 상승시킬 수 있는 원인이 발생된 즉시 과전류를 차단할 수는 없는 것이다. 이처럼 이차전지 내부의 비정상적인 온도 상승 등으로 인해 내압이 증가하더라도 적절한 시점에 과전류 차단이 이루어지지 않게 된다면 발화, 폭발 등의 안전상의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 언급한 소자들의 경우, 단순히 온도에 따라 동작을 하게 되므로, 자동차에 이용되는 배터리 팩과 같이 고출력을 나타내는 이차전지에는 사용이 어려운 면이 있다. 즉, 자동차용 배터리 팩의 경우, 높은 c-rate(high c-rate)를 필요로 하며, 이에 따라 발열량 역시 많을 수 밖에 없는데, PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out), 써멀퓨즈(thermal fuse)와 같은 소자들은 이러한 고온 환경에 놓여지는 경우 너무 일찍 작동해버릴 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 높은 전류가 흐르는 환경에서도 이용 가능하고, 또한 안전상의 문제가 발생될 수 있는 수준으로 온도가 상승하기 이 전에 그러한 온도 상승의 원인이 될 수 있는 이벤트(예를 들어 이차전지의 내압 증가)가 발생하면 미리 전류를 차단시켜줄 수 있는 구조가 적용된 이차전지가 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀에 이상 발생 시에 신속히 전류를 차단할 수 있도록 하는 구조를 갖는 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 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 배터리 셀은, 전극 조립체; 일 측에 구비되는 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 개방부의 반대편에 형성되는 폐쇄부를 구비하는 하우징; 상기 전극 조립체와 상기 폐쇄부 사이에 배치되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 집전체; 상기 폐쇄부를 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 단자; 및 상기 단자와 상기 집전체 사이에 개재되며 상기 단자보다 상기 집전체와 더 큰 결합력으로 결합되는 CID; 를 포함한다.
상기 CID와 상기 단자 간의 결합면의 면적보다 상기 CID와 상기 집전체 간의 결합면의 면적이 더 넓을 수 있다.
상기 단자의 하단에 형성되는 결합 면은 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
상기 CID는, 상기 권취 중심 홀과 대응되는 영역의 내측 및 외측에서 상기 집전체와 결합될 수 있다.
상기 집전체는, 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 제1 결합부; 및 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 제1 결합부와 이격되어 위치하고 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 구비되는 제2 결합부; 를 포함할 수 있다.
상기 CID는, 상기 제1 결합부 및 상기 제2 결합부와 모두 결합될 수 있다.
상기 CID는, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 제1 결합부 및 상기 제2 결합부를 모두 커버하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀은, 상기 폐쇄부와 상기 집전체 사이에 개재되며, 상기 하우징 내부의 압력 증가에 따른 상기 폐쇄부와 상기 집전체 사이의 이격이 발생되었을 때, 이격 상태가 유지되도록 하는 CID 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 CID 가스켓은, 상기 폐쇄부와 상기 집전체 사이에서 팽창하는 방향으로 탄성 복원력을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 CID 가스켓은, 상기 하우징 내부의 온도 상승에 따라 팽창하도록 구성될 수 있다.
상기 CID 가스켓은, 적어도 일부가 상기 CID와 상기 폐쇄부 사이에 개재될 수 있다.
상기 배터리 셀은, 상기 개방부를 커버하도록 구성되는 배터리 캡을 포함할 수 있다.
상기 배터리 캡은, 주변과 비교하여 취약하게 구성되는 벤팅부를 구비할 수 있다.
상기 단자와 상기 CID 간의 결합 부위는 상기 벤팅부의 벤팅 압력보다 더 낮은 압력에서 파단되도록 구성될 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 배터리 셀을 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀에 이상 발생 시에 신속히 전류를 차단할 수 있으며, 이로써 이차전지 사용 상의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 셀의 이상 발생에 따라 전류 차단이 달성된 이 후에 다시 전기적 접속이 이루어지는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리 셀의 벤팅 발생 시점 이 전에 미리 전류를 차단할 수 있으며, 이로써 이차전지 사용 상의 안전성을 더욱 향상시킬 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 배터리 셀의 상부(upper portion) 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 내압이 증가함에 따른 부품 간의 결합부위의 파단을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 생략된 경우, 단자와 집전체의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되지 않고 함께 이동하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 적용된 경우, 단자와 CID의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 집전체와 다른 형태의 집전체가 적용된 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 배터리 셀의 내압이 증가함에 따른 부품 간의 결합부위의 파단을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 적용된 집전체의 예시적인 형태를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 생략된 경우, 단자와 집전체의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되지 않고 함께 이동하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 집전체의 제2 결합부에만 결합된 경우, 단자와 CID의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되지 않고 함께 이동하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 집전체의 제1 결합부 및 제2 결합부와 모두 결합된 경우, 단자와 CID의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 5에 도시된 배터리 셀에 있어서 CID 가스켓이 추가로 적용된 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 배터리 셀의 내압이 증가함에 따른 부품 간의 결합부위의 파단을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15는 도 12에 도시된 배터리 셀과 비교하여 CID 가스켓이 다른 위치에 배치된 구조를 갖는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 배터리 셀의 외관을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16에 도시된 배터리 셀의 내부구조를 전체적으로 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 배터리 셀의 하부(lower portion) 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 20은 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.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(1)을 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 상부(upper portion) 구조를 나타내는 부분 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 내압이 증가함에 따른 부품 간의 결합부위의 파단을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 생략된 경우, 단자와 집전체의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되지 않고 함께 이동하는 현상을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 적용된 경우, 단자와 CID의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(1)은 전극 조립체(10), 하우징(20), 집전체(제1 집전체)(30), 단자(40) 및 CID(current interruption device)(50)를 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는 예를 들어 제1 전극, 제2 전극 및 분리막을 포함하는 적층체가 일 방향으로 권취된 젤리롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는 상단에 제1 무지부(11)를 구비할 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는 제1 전극에 있어서 전극 활물질이 코팅되지 않은 영역을 의미한다. 상기 제1 무지부(11)는 제1 전극의 일 단부에 형성될 수 있으며 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 연장될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 상방으로 연장될 수 있다.
상기 하우징(20)은, 일 측에 구비되는 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 하우징(20)은, 개방부의 반대편에 형성되는 폐쇄부를 구비할 수 있다.
상기 집전체(30)는, 전극 조립체(10)와 하우징(20)의 폐쇄부 사이에 배치될 수 있다. 상기 집전체(30)는, 전극 조립체(10)와 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전체(30)의 일 면은, 전극 조립체(10)의 상단에 구비되는 제1 무지부(11)와 결합될 수 있다. 상기 집전체(30)와 전극 조립체(10) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접 등에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 상기 제1 무지부(11)는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분절되어 형성되는 분절편을 구비할 수 있으며, 이러한 분절편들은 예를 들어 전극 조립체(10)의 코어를 향해 절곡될 수 있다. 절곡된 제1 무지부(11)의 분절편들은 복수의 레이어를 이루도록 상호 중첩될 수 있다. 이처럼 제1 무지부(11)의 분절편들이 절곡되는 경우, 집전체(30)는 제1 무지부(11)의 절곡에 의해 형성되는 대략 플랫한 면 상에 결합될 수 있다.
상기 단자(40)는, 하우징(20)의 폐쇄부를 통해 전극 조립체(10)와 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 단자(40)는, 예를 들어 하우징(20)의 폐쇄부의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 단자(40)는, 예를 들어 하우징(20)의 폐쇄부의 내측면 상에 리벳팅(riveting)에 의해 고정될 수 있다.
상기 CID(50)는, 단자(40)와 집전체(30) 사이에 개재될 수 있다. 상기 CID(50)는, 도전성 금속을 포함하는 플레이트일 수 있다. 상기 CID(50)는, 제1 면이 단자(40)와 결합될 수 있으며, 제1 면의 반대쪽 면인 제2 면이 집전체(30)와 결합될 수 있다. 상기 CID(50)는, 단자(40)보다 집전체(30)와 더 큰 결합력으로 결합될 수 있다. 즉, 상기 CID(50)의 제1 면과 단자(40) 간의 결합력이 CID(50)의 제2 면과 집전체(30) 간의 결합력이 더 강하게 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 이처럼 CID(50)를 이용하여 부품 간의 결합력을 상이하게 구성함으로써 배터리 셀(1)의 내압 증가에 따른 하우징(20)의 팽창 시에 단자(40)와 CID(50) 간의 결합 부위가 신속히 파단되도록 할 수 있으며, 이로써 단자(40)를 통한 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 배터리 셀(1)과 달리 CID(50)가 적용되지 않은 배터리 셀(1)의 경우, 내압 상승에 따른 단자(40)의 상승 시에 집전체(30)와 단자(40) 간의 결합 부위의 파단에 앞서 집전체(30)와 전극 조립체(10) 간의 결합 부위가 먼저 부분적으로 파단되는 현상 및/또는 집전체(30)가 휘어지면서 집전체(30)와 단자(40) 간의 결합 부위의 파단이 지연되는 현상이 발생될 수 있다.
상술한 바와 같은 결합력의 차이는, 예를 들어 결합 면적이 차이에 의해 발생될 수 있다. 예를 들어, 상기 CID(50)와 단자(40) 간의 결합면의 면적보다 CID(50)와 집전체(30) 간의 결합면의 면적이 더 넓게 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체(10)에 결합된 집전체(30)에 CID(50)를 용접시킨 후 전극 조립체(10), 집전체(30) 및 CID(50)를 포함하는 결합체를 하우징(20)의 개방부를 통해 밀어 넣어 CID(50)가 단자(40)의 바닥면에 접촉하도록 할 수 있다. 다음으로, 전극 조립체(10)의 대략 중심부에 형성되는 권취 중심 홀(10a)을 통해 용접 장치를 삽입하거나 레이저를 조사하여 집전체(30), CID(50) 및 단자(40)를 용접할 수 있다. 이 때, 집전체(30)와 CID(50) 간의 용접 면적보다 CID(50)와 단자(40) 간의 용접 면적을 더 작게 구성함으로써 내압 상승에 따른 단자(40)와 CID(50) 간의 용접 부위의 파단이 신속히 이루어지도록 할 수 있다.
상기 단자(40)의 하단에 형성되는 결합 면은 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 CID(50)와 단자(40)의 결합 부위와 대응되는 위치에서 집전체(30)는 전극 조립체(10)와 결합될 수 없다. 따라서, 배터리 셀(1)의 내압 증가에 따른 폐쇄부의 휘어짐에 발생하고 이에 따라 단자(40)가 상승하는 경우, 집전체(30)는 권취 중심 홀(10a)과 대응되는 영역에서 휘어짐이 발생할 수 있다. 이러한 집전체(30)의 휘어짐은 단자(40)와 CID(50) 간의 결합 부위의 파단을 방해하는 원인이 될 수 있다. 본 발명의 CID(50)가 적용되는 경우, 집전체(30)의 강성을 CID(50)가 보강해줄 수 있으며, 이로써 단자(40)와 CID(50) 간의 결합 부위의 파단이 좀 더 신속히 이루어질 수 있다.
도 1 내지 도 3과 함께 도 4를 참조하면, 상기 CID(50)는 권취 중심 홀(10a)과 대응되는 영역의 내측(B 영역) 및 외측(A 영역)에서 집전체(30)와 결합될 수 있다. 이 경우, 집전체(30) 및 CID(50)의 휘어짐이 더욱 억제될 수 있으며, 이로써 단자(40)와 CID(50)의 결합 부위의 파단이 더욱 신속히 이루어질 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 배터리 셀(1)은 인슐레이터(IS) 및/또는 절연 가스켓(G1)을 포함할 수 있다. 상기 인슐레이터(IS)는 하우징(20)의 폐쇄부와 집전체(30) 사이에 형성되는 공간에 배치될 수 있다. 상기 인슐레이터(IS)는 절연성 재질을 포함할 수 있다. 상기 인슐레이터(IS)는 서로 다른 극성을 갖도록 구성되는 집전체(30)와 하우징(20) 간의 접촉이 이루어지지 않도록 할 수 있다. 상기 절연 가스켓(G1)은 단자(40)와 하우징(20) 사이에 개재될 수 있다. 상기 절연 가스켓(G1)은 절연성 재질을 포함할 수 있다. 상기 절연 가스켓(G1)은 서로 다른 극성을 갖도록 구성되는 단자(40)와 하우징(20) 간의 접촉이 이루어지지 않도록 할 수 있다.
다음은, 도 5 내지 도 11을 참조하여, 앞서 설명한 것과는 다른 구조를 갖는 배터리 셀(1)을 설명하기로 한다. 도 5는 도 1에 도시된 집전체와 다른 형태의 집전체가 적용된 배터리 셀을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 배터리 셀의 내압이 증가함에 따른 부품 간의 결합부위의 파단을 설명하기 위한 도면이다. 도 7 및 도 8은 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 적용된 집전체의 예시적인 형태를 나타내는 도면이다. 도 9는 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 생략된 경우, 단자와 집전체의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되지 않고 함께 이동하는 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 집전체의 제2 결합부에만 결합된 경우, 단자와 CID의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되지 않고 함께 이동하는 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 셀에 있어서 본 발명의 CID가 집전체의 제1 결합부 및 제2 결합부와 모두 결합된 경우, 단자와 CID의 결합부위가 단자의 상승에 따라 파단되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 상기 집전체(30)는, 제1 결합부(31) 및 제2 결합부(32)를 포함할 수 있다. 상기 제1 결합부(31)는 전극 조립체(10)와 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제1 결합부(31)는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 결합될 수 있다. 상기 제2 결합부(32)는 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 제1 결합부(31)와 이격되어 위치할 수 있다. 상기 제2 결합부(32)는 CID(50)를 사이에 개재시킨 상태로 단자(40)와 결합될 수 있다.
본 발명의 이러한 집전체(30)의 구조에 의하면, 전극 조립체(10)와의 결합을 위해 마련되는 제1 결합부(31)와 단자(40)와의 결합을 위해 마련되는 제2 결합부(32)가 서로 직접적으로 연결되지 않고 간접적으로 연결된다. 따라서, 상기 제1 결합부(31)에 형성되는 용접부와 제2 결합부(32)에 형성되는 용접부 중 어느 한 곳에 충격이 가해지는 경우에 있어서 나머지 한 곳에 충격이 직접적으로 전달되지 않도록 할 수 있다. 이는, 외부 충격에 따른 용접부 파손의 위험을 감소시킬 수 있다.
상기 제2 결합부(32)는 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(10a)과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 제2 결합부(32)가 권취 중심 홀(10a)을 커버하도록 더 큰 사이즈를 갖도록 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 결합부(32)는 권취 중심 홀(10a)과 실질적으로 동일하거나 더 작은 사이즈를 가질 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 집전체(30)는 제1 결합부(31)와 제2 결합부(32)를 전기적으로 연결시키도록 구성되는 연결부(33)를 포함할 수 있다. 상기 연결부(33)는, 중심부가 비어 있는 대략 림(rim) 형태를 갖는 테두리부(33a) 및 테두리부(33a)와 제2 결합부(32) 사이를 연결하는 브릿지부(33b)를 포함할 수 있다. 상기 브릿지부(33b)는 한 개 또는 복수개가 구비될 수 있다. 상기 제1 결합부(31)는 테두리부(33a)로부터 내측을 향해 연장될 수 있다. 상기 제1 결합부(31)는 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 결합부(32)는 복수의 제1 결합부(31)에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 상기 CID(50)는, 제1 결합부(31) 및 제2 결합부(32)와 모두 결합될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(1)의 내압 증가 시에 도 6에 도시된 바와 같이 단자(40)와 CID(50) 간의 용접 부위의 파단이 신속하게 발생될 수 있으며, 이로써 단자(40)를 통한 전기적 흐름을 신속히 차단할 수 있다. 이 경우, 상기 CID(50)는, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 제1 결합부(31) 및 제2 결합부(32)를 모두 커버하도록 구성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 CID(50)가 생략되고 단자(40)와 집전체(30)의 제2 결합부(32)가 직접 결합되는 경우, 단자(40)의 상승 시에 단자(40)와 집전체(30) 간의 결합 부위가 용이하게 파단되지 않음을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 CID(50)가 제1 결합부(31)와는 결합되지 않고 제2 결합부(32)에만 결합되는 경우, 단자(40)의 상승 시에 단자(40)와 집전체(30) 간의 결합 부위가 용이하게 파단되지 않음을 알 수 있다. 반면, 도 11을 참조하면, 상기 CID(50)가 제1 결합부(31) 및 제2 결합부(32)와 모두 결합되는 경우, 서로 이격된 제1 결합부(31)와 제2 결합부(32) 사이가 구조적으로 연결됨을 알 수 있다(도 11의 C 영역 참조). 따라서, 상기 단자(40)의 상승 시에 제2 결합부(32)가 함께 상승되는 현상이 억제될 수 있다.
다음은, 도 12 및 도 15를 참조하여, 본 발명의 배터리 셀(1)에 CID 가스켓(60)이 적용된 실시예를 설명하기로 한다. 도 12는 도 5에 도시된 배터리 셀에 있어서 CID 가스켓이 추가로 적용된 배터리 셀을 나타내는 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 배터리 셀의 내압이 증가함에 따른 부품 간의 결합부위의 파단을 설명하기 위한 도면이다. 도 14 및 도 15는 도 12에 도시된 배터리 셀과 비교하여 CID 가스켓이 다른 위치에 배치된 구조를 갖는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 배터리 셀(1)은, CID 가스켓(60)을 포함할 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)은, 절연성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)은, 하우징(20)의 폐쇄부와 집전체(30) 사이에 개재될 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)은, 하우징(20) 내부의 압력 증가에 따른 집전체(30) 사이의 이격이 발생되었을 때, 이격 상태가 유지되도록 할 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)은, 하우징(20)의 폐쇄부와 집전체(30) 사이에서 팽창하는 방향으로 탄성 복원력을 갖도록 구성될 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)은, 폐쇄부와 집전체(30) 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖도록 압축된 상태로 폐쇄부와 집전체(30) 사이에 개재될 수 있다.
상기 CID 가스켓(60)의 적용으로 인해, 내압 증가에 따라 상방으로 부풀어 오른 하우징(20)의 폐쇄부는 다시 형태가 복원되지 않고 변형된 상태를 유지할 수 있다. 상기 하우징(20)의 폐쇄부가 상방으로 부풀어 오르는 변형을 일으킬 때 단자(40)가 함께 상승할 수 있으며, 이에 따라 단자(40)와 CID(50) 간의 결합 부위가 파단될 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)이 적용되는 경우, 단자(40)와 CID(50)가 서로 이격된 상태가 유지될 수 있으며, 이로써 단자(40)를 통한 전류의 흐름이 차단된 상태가 유지될 수 있다.
상기 CID 가스켓(60)은, 하우징(20) 내부의 온도 상승에 따라 팽창하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 CID 가스켓(60)은 열에 의해 팽창하는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 CID 가스켓(60)은 발포 수지를 포함할 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)은, 예를 들어, 하우징(20)의 폐쇄부가 상방으로 부풀어 오르는 온도에서 팽창하도록 구성될 수 있다.
상기 CID 가스켓(60)은, 적어도 일부가 CID(50)와 하우징(20)의 폐쇄부 사이에 개재되도록 배치될 수 있다. 상기 CID 가스켓(60)이 이와 같이 배치되는 경우 CID 가스켓(60)에 의해 집전체(30)와 전극 조립체(10) 간의 결합 부위가 가압될 수 있다. 따라서, 상기 단자(40)의 상승 시에 단자(40)와 CID(50) 간의 결합 부위가 파손되기 이 전에 집전체(30)와 전극 조립체(10) 간의 결합 부위가 먼저 파손되는 현상을 방지할 수 있다. 이러한 효과를 극대화 하기 위해, 상기 CID 가스켓(60)은, 도 15에 도시된 바와 같이, 전체 영역이 모두 CID(50) 상에 위치할 수도 있다. 다만, 본 발명의 CID 가스켓(60)의 배치 위치가 이로써 한정되는 것은 아니며, 도 14에 도시된 바와 같이 전체 영역이 모두 CID(50)의 외측에 위치할 수도 있다.
다음은, 도 16 내지 도 18을 참조하여, 본 발명의 배터리 셀(1)의 전체적인 구조 및 하부(lower portion)의 구조에 대해서 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 도 16은 본 발명의 배터리 셀의 외관을 나타내는 도면이고, 도 17은 도 16에 도시된 배터리 셀의 내부구조를 전체적으로 나타내는 도면이며, 도 18은 본 발명의 배터리 셀의 하부(lower portion) 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 배터리 셀(1)은, 하우징(20)의 개방부를 커버하도록 구성되는 배터리 캡(70)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 캡(70)은, 주변과 비교하여 취약하게 구성되는 벤팅부(71)를 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(71)는 예를 들어 배터리 캡(70)의 일 면 또는 양 면이 노칭되어 주변 영역 대비 얇은 두께를 갖도록 구성될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 배터리 셀(1)이 벤팅부(71)를 구비하는 경우, 앞서 설명한 본 발명의 단자(40)와 CID(50) 간의 결합 부위는 벤팅부(71)의 벤팅 압력, 즉 벤팅부(71)가 파단되는 압력보다 더 낮은 압력에서 파단되도록 구성될 수 있다. 이는, 벤팅에 따른 써멀 이벤트가 확산되기 이 전에 단자(40)를 통한 전류의 흐름을 차단하여 배터리 사용 상의 안전성을 확보하기 위함이다.
본 발명의 배터리 셀(1)은, 배터리 캡(70)과 하우징(20)의 내측면 사이에 개재되는 실링 가스켓(G2)을 포함할 수 있다. 상기 실링 가스켓(G2)은 하우징(20)의 밀봉성을 강화하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 셀(1)은 단자(40)와 하우징(20)의 폐쇄부가 각각 제1 전극 단자 및 제2 전극 단자로서 기능하도록 구성될 수 있다. 상기 단자(40)는 앞서 설명한 바와 같이 집전체(제1 집전체)(30)를 통해 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이로써 제1 극성을 가질 수 있다. 상기 하우징(20)은 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이로써 제2 극성을 가질 수 있다.
상기 하우징(20)과 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)의 전기적 연결은, 예를 들어 제2 집전체(P)를 통해 이루어질 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는 앞서 설명한 제1 무지부(11)와 마찬가지로 제2 전극에 있어서 전극 활물질이 코팅되지 않은 영역을 의미한다. 상기 제2 무지부(12)는 제2 전극의 일 단부에 형성될 수 있으며, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 연장될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 하방으로 연장될 수 있다. 상기 제2 집전체(P)는 이러한 제2 무지부(12) 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는 앞서 설명한 제1 무지부(11)와 마찬가지로 분절편들을 구비할 수 있고, 분절편들은 전극 조립체(10)의 코어를 향해 절곡될 수 있다. 절곡된 제2 무지부(12)의 분절편들은 복수의 레이어를 이루도록 상호 중첩될 수 있다. 이처럼 제1 무지부(12)의 분절편들이 절곡되는 경우, 제2 집전체(P)는 제2 무지부(12)의 절곡에 의해 형성되는 대략 플랫한 면 상에 결합될 수 있다.
상기 제2 집전체(P)는 하우징(20)의 내측면 상에 결합될 수 있다. 상기 하우징(20)은 외주면 둘레를 따라 압입된 비딩부(21)를 구비할 수 있다. 상기 하우징(20)은 배터리 캡(70)의 가장자리 둘레를 감싸도록 비딩부(21)로부터 연장 및 절곡되어 형성되는 크림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 제2 집전체(P)는 비딩부(21)의 일 면과 실링 가스켓(G2) 사이에 개재될 수 있다.
다음은, 도 19를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 설명하기로 한다. 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 17 및 도 18과 함께 도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(1) 및 배터리 셀(1)을 수용하는 팩 하우징(2)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀(1)은 복수개가 구비될 수 있으며, 복수의 배터리 셀(1)들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 배터리 셀(1)은 단자(40) 와 하우징(20)의 폐쇄부가 각각 제1 전극 단자와 제2 전극 단자로서 기능할 수 있도록 구성될 수 있다(도 17 및 도 18 참조). 따라서, 팩 하우징(2) 내에 복수의 배터리 셀(1)들을 배치함에 있어서, 모든 배터리 셀(1)을 단자(40)가 상방을 향하도록 배치함으로써 배터리 셀(1)의 상부에서 전기적 연결을 이룰 수 있다.
다음은, 도 20을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)를 설명하기로 한다. 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함할 수 있다. 상기 자동차(5)는 배터리 팩(3)에 의해 전력을 공급 받아 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차일 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]
5: 자동차
3: 배터리 팩
1: 배터리 셀
10: 전극 조립체
10a: 권취 중심 홀
11: 무지부(제1 무지부)
12: 무지부(제2 무지부)
20: 하우징
21: 비딩부
22: 크림핑부
30: 집전체(제1 집전체)
31: 제1 결합부
32: 제2 결합부
33: 연결부
33a: 테두리부
33b: 브릿지부
IS: 인슐레이터
40: 단자
G1: 절연 가스켓
50: CID
60: CID 가스켓
70: 배터리 캡
71: 벤팅부
G2: 실링 가스켓
P: 집전체(제2 집전체)

Claims (15)

  1. 전극 조립체;
    일 측에 구비되는 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 개방부의 반대편에 형성되는 폐쇄부를 구비하는 하우징;
    상기 전극 조립체와 상기 폐쇄부 사이에 배치되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 집전체;
    상기 폐쇄부를 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 단자; 및
    상기 단자와 상기 집전체 사이에 개재되며 상기 단자보다 상기 집전체와 더 큰 결합력으로 결합되는 CID;
    를 포함하는 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CID와 상기 단자 간의 결합면의 면적보다 상기 CID와 상기 집전체 간의 결합면의 면적이 더 넓은 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단자의 하단에 형성되는 결합 면은 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 CID는,
    상기 권취 중심 홀과 대응되는 영역의 내측 및 외측에서 상기 집전체와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는,
    상기 전극 조립체와 전기적으로 결합되는 제1 결합부; 및
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 제1 결합부와 이격되어 위치하고 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 구비되는 제2 결합부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 CID는,
    상기 제1 결합부 및 상기 제2 결합부와 모두 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 CID는,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 제1 결합부 및 상기 제2 결합부를 모두 커버하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    상기 폐쇄부와 상기 집전체 사이에 개재되며, 상기 하우징 내부의 압력 증가에 따른 상기 폐쇄부와 상기 집전체 사이의 이격이 발생되었을 때, 이격 상태가 유지되도록 하는 CID 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 CID 가스켓은,
    상기 폐쇄부와 상기 집전체 사이에서 팽창하는 방향으로 탄성 복원력을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 CID 가스켓은,
    상기 하우징 내부의 온도 상승에 따라 팽창하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 CID 가스켓은,
    적어도 일부가 상기 CID와 상기 폐쇄부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은, 상기 개방부를 커버하도록 구성되는 배터리 캡을 포함하고,
    상기 배터리 캡은, 주변과 비교하여 취약하게 구성되는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단자와 상기 CID 간의 결합 부위는 상기 벤팅부의 벤팅 압력보다 더 낮은 압력에서 파단되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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