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WO2023090574A1 - 전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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

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Publication number
WO2023090574A1
WO2023090574A1 PCT/KR2022/010562 KR2022010562W WO2023090574A1 WO 2023090574 A1 WO2023090574 A1 WO 2023090574A1 KR 2022010562 W KR2022010562 W KR 2022010562W WO 2023090574 A1 WO2023090574 A1 WO 2023090574A1
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WO
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segment
electrode
electrode assembly
winding
core
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/010562
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이재은
박종식
이제준
김학균
김상열
임재원
최유성
이병구
류덕현
이관희
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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Priority to JP2024529831A priority patent/JP2024538840A/ja
Priority to EP22895784.1A priority patent/EP4421970A1/en
Priority to US18/707,760 priority patent/US20240339650A1/en
Priority to CA3238245A priority patent/CA3238245A1/en
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    • 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 an electrode assembly, a battery, and a battery pack and automobile including the same.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. It is universally applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • a battery pack is formed by connecting a plurality of batteries in series.
  • a battery pack is configured by connecting a plurality of batteries in parallel according to a charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of batteries included in the battery pack and the type of electrical connection may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a separator which is an insulator, is interposed between a positive electrode and a negative electrode, and the electrode assembly in the form of a jelly roll is formed by winding the separator, and the electrode assembly is inserted into the battery housing to configure the battery.
  • the cell housing is referred to in the art as a cell can.
  • An electrode tab in the form of a strip may be connected to the non-coated portion of each of the positive and negative electrodes, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and an electrode terminal exposed to the outside.
  • the positive electrode terminal is a cap of a sealing body that seals the opening of the battery housing
  • the negative electrode terminal is the battery housing.
  • the conventional cylindrical battery having such a structure since the current is concentrated on the strip-shaped electrode tab coupled to the positive electrode uncoated portion and/or the negative electrode uncoated portion, resistance is high, a lot of heat is generated, and the current collection efficiency is poor. There was a problem.
  • Resistance and heat generation are not a big issue for a small cylindrical battery with a form factor of 1865 (diameter: 18mm, height: 65mm) or 2170 (diameter: 21mm, height: 70mm).
  • a form factor of the cylindrical battery is increased to apply it to an electric vehicle, a large amount of heat is generated around the electrode tab during a rapid charging process, causing the cylindrical battery to ignite.
  • FIG. 1 to 3 are views showing a manufacturing process of a tab-less cylindrical battery.
  • 1 shows the structure of an electrode
  • FIG. 2 shows a winding process of an electrode
  • FIG. 3 shows a process of welding a current collector to a bent surface area of a non-coated portion.
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 11 have a structure in which an active material 21 is coated on a sheet-shaped current collector 20, and a long side of one side along a winding direction X. It includes an uncoated portion 22 .
  • the long side refers to a side having a relatively long length in a direction parallel to the x-axis direction.
  • the electrode assembly (A) is manufactured by sequentially stacking the positive electrode 10 and the negative electrode 11 together with two sheets of separator 12 as shown in FIG. 2 and then winding them in one direction (X). At this time, the uncoated portions of the positive electrode 10 and the negative electrode 11 are disposed in opposite directions.
  • the uncoated portion 10a of the positive electrode 10 and the uncoated portion 11a of the negative electrode 11 are bent toward the core. After that, the current collectors 30 and 31 are welded and coupled to the uncoated portions 10a and 11a, respectively.
  • the current collectors 30 and 31 are connected to external electrode terminals, and the current path winds the electrode assembly A. Since it is formed with a large cross-sectional area along the axial direction (see arrow), it has the advantage of lowering the resistance of the battery. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which current flows.
  • the shapes of the uncoated portions 10a and 11a may be irregularly distorted and deformed.
  • the deformed portion may contact an electrode of opposite polarity to cause an internal short circuit or cause fine cracks in the uncoated regions 10a and 11a.
  • the uncoated portion 32 adjacent to the core of the electrode assembly A is bent, all or a significant portion of the cavity 33 in the core of the electrode assembly A is closed. In this case, a problem arises in the electrolyte injection process. That is, the cavity 33 in the core of the electrode assembly A is used as a passage through which the electrolyte is injected.
  • bent portions of the uncoated portions 10a and 11a where the current collectors 30 and 31 are welded must be overlapped in several layers. In this way, sufficient welding strength can be obtained, and even if the latest technology such as laser welding is used, it is possible to prevent a problem in which the laser penetrates into the electrode assembly A and melts the separator or the active material.
  • the bent surface area formed by bending the uncoated portions 10a and 11a of the electrode assembly A has almost no gap through which electrolyte can pass in the direction of the winding axis. This is because most of the gaps between the winding turns that existed immediately after winding disappear in the process of bending the uncoated portions 10a and 11a. Therefore, the structure in which the entire ends of the uncoated portions 10a and 11a are bent can increase the electrolyte impregnation time.
  • the present invention was conceived under the background of the prior art as described above, and provides an electrode assembly having an improved uncoated portion structure to relieve stress applied to the uncoated portion when bending the uncoated portion exposed at both ends of the electrode assembly. But it has a purpose.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly in which an electrolyte injection passage is not blocked even when the uncoated portion is bent.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly including a structure capable of preventing contact between the upper edge of the electrode assembly and the inner surface of the battery housing when the upper end of the battery housing is beaded.
  • Another technical problem of the present invention is to sufficiently increase the number of stacked segments in the area used as the welding target area by applying the segment structure to the uncoated area of the electrode and optimizing the dimensions (width, height, separation pitch) of the segment segments.
  • An object of the present invention is to provide an electrode assembly having improved physical properties of a welding area.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly with improved energy density and reduced resistance by applying a structure in which a current collector is welded to a large area on a bent surface area formed by bending segments.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly having a structure in which welding of a current collector to the electrode assembly can be stably performed.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly with improved electrolyte impregnation characteristics by arranging a plurality of segments in a radial direction in a local area.
  • Another technical problem of the present invention is to stably secure the welding line of the current collector even when rotating clockwise or counterclockwise due to the thickness tolerance of the electrode when a plurality of segments are arranged radially in a local area It is to provide an electrode assembly.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a battery including a terminal and a current collector with an improved design so that electrical wiring can be performed at the top.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a battery including an electrode assembly having an improved structure, a battery pack including the same, and a vehicle including the battery pack.
  • An electrode assembly according to the present invention for achieving the above technical problem is an electrode assembly in which a core and an outer periphery are defined by winding a first electrode and a second electrode and a separator interposed therebetween around a winding axis.
  • the first electrode may include a first active material portion coated with an active material layer along a winding direction and a first non-coated portion exposed to the outside of the separator without being coated with the active material layer.
  • the first non-coated portion may include a segment section divided into a plurality of independently bendable segments by a plurality of cutting grooves provided along a winding direction.
  • the segment segment section includes a plurality of segment segment groups disposed at a spaced pitch between groups along the winding direction, each segment group including one or more segment segments, and the plurality of segment segment groups comprises the electrodes At one side of the assembly, one or more segment alignment units may be configured.
  • the segment arranging unit includes p (p is a natural number greater than 2) segment segment groups disposed along a radial direction, and the central points of the winding arcs where the p segment groups are located are located in the radial direction from the core side.
  • p is a natural number greater than 2
  • segment segment groups disposed along a radial direction, and the central points of the winding arcs where the p segment groups are located are located in the radial direction from the core side.
  • the segment arranging units may be n, and the n segment arranging units may be spaced apart from each other in a circumferential direction of the electrode assembly.
  • the n may be 2 to 9.
  • N segment segment groups are arranged in the same winding turn, and the n segment segment groups may be arranged at substantially equal intervals along the winding direction.
  • 50% or more of the C 1 to C p may be rotated in a winding direction of the electrode assembly based on the alignment line.
  • At least 50% of C 1 to C p may be rotated in a direction opposite to a winding direction of the electrode assembly based on the alignment line.
  • the n segment arranging units may be arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the core.
  • the rotationally symmetric angle may be 40 degrees, 45 degrees, 60 degrees, 72 degrees, 90 degrees, 120 degrees or 180 degrees.
  • the n segment alignment units may be arranged point-symmetrically with respect to the center of the core.
  • the n segment alignment units may radially extend from the center of the core.
  • the segment segment alignment unit When viewed from the direction of the winding axis, the segment segment alignment unit consists of two lines connecting the inner arc adjacent to the core, the outer arc adjacent to the outer circumferential surface, and the end of the winding turn arc where each segment group is located from the core side to the outer circumference side. It can have a geometric shape made up of
  • the geometric shape may be a fan shape.
  • Each of the two lines may extend non-linearly.
  • the electrode assembly may include a bending surface region formed by bending the p segment groups toward the core.
  • the electrode assembly further includes a current collector welded to the bent surface area, and when viewed in the winding axial direction of the electrode assembly, the winding turn arcs in which p segment groups are located are the welding lines of the current collector, and optionally , from which it can intersect an imaginary line extending the same width.
  • the width of the welding line may be 1 mm or more.
  • the winding turn arcs are virtually rotated so that C 1 to C p of the winding turn arcs are positioned on the alignment line, the winding turn arcs are arranged in a fan shape, and the segment arranging unit is based on the alignment line.
  • the maximum rotation angle ⁇ max of the end of the segment group included in ⁇ max , the circumferential angle ⁇ design of the sector shape, and the maximum value of the circumferential angle for 1/2 of the winding turn arc intersected by the welding line are defined as ⁇ weld,max , the following relational expression can be satisfied.
  • the ⁇ weld,max may be a value determined by the following formula.
  • ⁇ weld,max (360°*0.5*d arc )/(2 ⁇ r)
  • d arc is the maximum value among the lengths of arcs of winding turns intersected by the welding line, and r is the radius of arcs of winding arcs based on the center of the core
  • the ⁇ design may be greater than 38 degrees.
  • the ⁇ design may be greater than 68 degrees.
  • the ⁇ design may be greater than 100 degrees.
  • the ⁇ design may be greater than 132 degrees.
  • the ⁇ design may be greater than 176 degrees.
  • the electrode assembly may include an electrolyte-impregnated portion exposed between the circumferentially adjacent segment arranging portions and between ends of separators adjacent to each other in a radial direction at an end portion of the winding axial direction of the first active material portion.
  • the number of the electrolyte-impregnated parts is n, and the electrolyte-impregnated parts may radially extend from the center of the core.
  • the electrode assembly may further include an insulating layer covering a boundary region between the first non-coated portion and the active material layer along the winding direction, and a gap may be provided between the insulating layer and the separator.
  • the second electrode includes a second active material portion coated with an active material layer along the winding direction and a second non-coated portion exposed to the outside of the separator to face the first uncoated portion along the winding axis direction without being coated with the active material layer.
  • the second non-coated portion may include a segment section divided into a plurality of independently bendable segments by a plurality of cutting grooves provided along the winding direction.
  • the segment segment section of the second non-coated portion includes a plurality of segment segment groups disposed at a spaced pitch between groups along the winding direction, each segment segment group including one or more segment segments, and the plurality of segment segments The group may constitute one or more segment aligning units on one side of the electrode assembly.
  • the segment segment arranging unit of the second non-coated portion includes q segment segment groups (q is a natural number greater than 2) disposed along the radial direction, and the central points of the winding turn arcs at which the q segment segment groups are located are referred to as the When defined as C 1 to C q along the radial direction from the core side, at least some of the C 1 to C q may not be located on a predetermined alignment line extending from the center of the core in the radial direction.
  • the electrode assembly of the present invention for achieving the above technical problem is an electrode assembly in which a core and an outer circumference are defined by winding a first electrode, a second electrode, and a separator interposed therebetween around a winding axis, wherein the first electrode is wound It includes a first active material portion coated with an active material layer along a direction and a first uncoated portion exposed to the outside of the separator without the active material layer being coated, wherein the first uncoated portion is formed by a plurality of cut grooves provided along the winding direction.
  • each segment segment group comprises: A group includes one or more segments, the plurality of segment segments constitutes a plurality of segment aligning units on one side of the electrode assembly, and the plurality of segment aligning units are rotationally symmetrical with respect to the center of the core. It can be.
  • Each of the plurality of segment segment alignment units may have an asymmetrical structure when viewed from the direction of the winding axis.
  • the segment segment arranging unit includes p segment segment groups (p is a natural number greater than 2) disposed along a radial direction, and the asymmetric structure has a center point of winding turn arcs at which the p segment groups are located.
  • p is a natural number greater than 2
  • the asymmetric structure has a center point of winding turn arcs at which the p segment groups are located.
  • a battery for achieving the above technical problem includes an electrode assembly including at least one or more of the above-described features; a battery housing including an open end and a closed end, in which the electrode assembly is accommodated through the open end, and electrically connected to one of the first electrode and the second electrode to have a first polarity; a sealing body sealing the open end of the battery housing; and a terminal having a second polarity electrically connected to the other one of the first electrode and the second electrode and having a surface exposed to the outside.
  • the battery further includes a current collector electrically coupled to the bent surface area, and when viewed in the winding axial direction of the electrode assembly, winding turn arcs in which p segment groups are located are weld lines of the current collector, Optionally, it may intersect with an imaginary line extending from it.
  • a cavity is provided in the core of the electrode assembly, and the cavity can be open to the outside without being blocked by the bent surface area.
  • the sealing body includes a cap plate sealing the open end of the battery housing, and a gasket wrapped around an edge of the cap plate and crimped to the open end of the battery housing, and the terminal having the second polarity is It may be a cap plate.
  • the battery further includes a current collector electrically connected to the uncoated portion of the second electrode having the first polarity and having at least a part of an edge coupled to a sidewall of the battery housing, wherein the sealing body has no polarity.
  • a cap plate and a gasket wrapped around an edge of the cap plate and crimped to an open end of the battery housing, wherein the battery housing is installed in a through hole formed in a central portion of a closed end to be insulated and electrically electrically connected to the first electrode. It may include a rivet terminal connected to and having the second polarity.
  • the technical problem according to the present invention can be achieved by a battery pack including a plurality of the above-described batteries.
  • the battery may have a height-to-diameter ratio greater than 0.4.
  • the form factor of the battery may be 46110, 4875, 48110, 4880 or 4680.
  • the resistance of the battery may be 4 milliohm or less.
  • the technical problem according to the present invention can also be achieved by a vehicle including the battery pack.
  • the internal resistance of the battery can be reduced and the energy density can be increased by using the uncoated portion itself protruding from the upper and lower portions of the electrode assembly as an electrode tab.
  • the impregnation characteristics of the electrode assembly may be improved by arranging a plurality of segments in a radial direction in a local area.
  • the welding line of the current collector can be stably secured even if the electrode rotates clockwise or counterclockwise due to the thickness tolerance of the electrode. there is.
  • the structure of the uncoated portion of the electrode assembly is improved to prevent the uncoated portion from being torn when the uncoated portion is bent, and the welding strength of the current collector can be improved by sufficiently increasing the number of overlapping layers in the uncoated portion. .
  • the segment structure is applied to the uncoated area of the electrode and the dimension (width, height, separation pitch) of the segment is optimized to sufficiently increase the number of stacked segment segments in the region used as the welding target region. As a result, the physical properties of the region where the current collector is welded can be improved.
  • an electrode assembly having improved energy density and reduced resistance is provided by applying a structure in which a current collector is welded to a large area on a bent surface area formed by bending segments.
  • the electrolyte injection process and the battery housing (or terminal) and A welding process of the current collector can be easily performed.
  • a cylindrical battery having a structure with low internal resistance, prevention of internal short circuit, and improved welding strength between a current collector and an uncoated region, a battery pack including the same, and an automobile.
  • the present invention may provide a cylindrical battery having a diameter-to-height ratio of 0.4 or more and a resistance of 4 milliohm or less, a battery pack including the cylindrical battery, and a vehicle.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each embodiment, or descriptions of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • 1 is a plan view showing the structure of an electrode used in manufacturing a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 2 is a view showing an electrode winding process of a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG 3 shows a process in which a current collector is welded to a bent surface area of a non-coated portion in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 4 is a plan view showing the structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating definitions of width, height, and separation pitch of segments according to an embodiment of the present invention.
  • 6A is a view showing a circular arc formed by a lower end of a segment segment, in which the width of the segment segment is defined, based on the center of the core of the electrode assembly when the electrode is wound according to an embodiment of the present invention.
  • 6B shows segment heights h 1 , h 2 , h 3 , h 4 , core radii (r c ) and radii of winding turns where segment segments begin to appear, r 1 , r 2 , r 3 , according to an embodiment of the present invention. It is a figure which schematically shows the relationship of r4 .
  • 6C is a conceptual diagram for determining a maximum value (h max ) for the height (H) of a segment segment in a variable height range.
  • 6D is a schematic diagram for explaining a formula for determining a lower interior angle ⁇ of a segment segment.
  • FIG. 7A is a plan view showing another structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • 7B is a plan view showing a structure in which segment segments located in the same winding turn are arranged at equal intervals in another structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7C is a top plan view of an electrode assembly manufactured by winding the electrode shown in FIG. 7A when the thickness tolerance of the electrode is zero according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7D is a top plan view of an electrode assembly manufactured by winding the electrode shown in FIG. 7A when the thickness tolerance of the electrode is a positive number according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7E is a top plan view of an electrode assembly manufactured by winding the electrode shown in FIG. 7A when the thickness tolerance of the electrode is a negative number according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7F is a top plan view of an electrode assembly manufactured by winding the electrode shown in FIG. 7A when the thickness tolerance of the electrode is positive and the thickness tolerance of the electrode changes along the winding direction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7G is an upper plan view illustrating a disposition structure of a welding line when a current collector is welded to a bent surface area in a state in which the segment groups included in the segment arranging unit shown in FIG. 7F are bent toward the core.
  • 7H is a top plan view illustrating a state in which segment groups included in the segment arranging unit are rotated at the maximum angle in a clockwise direction when electrodes have a positive thickness tolerance according to an embodiment of the present invention.
  • 7I is a top plan view illustrating a state in which segment groups included in the segment arranging unit are rotated at a maximum angle in a counterclockwise direction when an electrode has a negative thickness tolerance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7J is a diagram illustrating a concept of extending the circumferential angle of a segment aligning unit in consideration of a width of a welding line according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for deriving a mathematical relational expression satisfied by an electrode assembly to which an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 9 is a diagram showing a fragment structure according to various modified examples of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross section of a bent surface area formed while a segment is bent toward the core of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • 11A are graphs showing the results of counting the number of stacked segments along the radial direction in the bent surface area of the anode formed on the electrode assemblies according to Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Example.
  • 11B is a top view of the electrode assemblies for Examples 2-1 to 2-5, Examples 3-1 to 3-4, Examples 4-1 to 4-3, and Examples 5-1 to 5-2. These are graphs showing the results of counting the number of stacked segments measured along the radial direction in the bending surface area of the anode formed in .
  • 11C is a result of counting the number of stacked segments measured along the radial direction in the bending surface area of the anode formed on the top of the electrode assembly for Examples 6-1 to 6-6 and Examples 7-1 to 7-6 are graphs that show
  • FIG. 12 is a top plan view of the electrode assembly showing a section with a uniform number of layers (b1) and a section with a reduced number of layers (b2) on the bent surface area of a segment piece according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a jelly roll-type electrode assembly in which an electrode according to an embodiment of the present invention is applied to a first electrode (anode) and a second electrode (cathode) is cut, and the Y-axis direction (winding axis direction) passes through the segment alignment unit. ) is a cross-section along the
  • FIG. 14 is a jelly roll type electrode assembly in which electrodes according to another embodiment of the present invention are applied to the first electrode (anode) and the second electrode (cathode) are cut, and the Y-axis direction (winding axis) passes through the segment alignment unit. direction) is a cross-sectional view.
  • 15 is a jelly roll-type electrode assembly in which electrodes according to another embodiment of the present invention are applied to the first electrode (anode) and the second electrode (cathode) are cut, and the Y-axis direction (winding) passes through the segment alignment unit. axial direction).
  • 16 is a cut jelly roll type electrode assembly in which an electrode according to another embodiment of the present invention is applied to the first electrode (anode) and the second electrode (cathode), and is wound in the Y-axis direction (winding) so as to pass through the segment aligning unit. axial direction).
  • 17 is a cross-sectional view of the cylindrical battery according to an embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction so as to pass through the bending surface area of segments included in the segment arranging unit.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction so as to pass through the bending surface area of segments included in the segment arranging unit.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction so as to pass through the bending surface area of segments included in the segment arranging unit.
  • 20 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis so as to pass through the bending surface area of the segments included in the segment arranging unit.
  • 21 is a top plan view showing the structure of a first collector plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a perspective view showing the structure of a second collector plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a top plan view illustrating a state in which a plurality of cylindrical batteries are electrically connected.
  • FIG. 24 is a partially enlarged view of FIG. 23 .
  • 25 is a diagram schematically illustrating the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 26 is a diagram schematically illustrating a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • references to two comparables being 'the same' means that they are 'substantially the same'.
  • substantially the same may include a case having a deviation that is considered low in the art, for example, a deviation of 5% or less.
  • uniformity of a certain parameter in a region may mean uniformity in terms of an average in the corresponding region.
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless otherwise stated, the first component may be the second component, of course.
  • Arrangement of an arbitrary element on the "upper (or lower)" or “upper (or lower)” of a component means that an arbitrary element is disposed in contact with the upper (or lower) surface of the component, as well as , may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
  • ком ⁇ онент when a component is described as “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components may be “interposed” between each component. ", or each component may be “connected”, “coupled” or “connected” through other components.
  • a direction along the longitudinal direction of the winding shaft of the electrode assembly wound in the form of a jelly roll is referred to as an axial direction (Y).
  • a direction surrounding the winding shaft is referred to as a circumferential direction or a circumferential direction (X).
  • a direction closer to or away from the winding axis is referred to as a radial direction.
  • a direction closer to the winding axis is referred to as a centripetal direction
  • a direction away from the winding axis is referred to as a centrifugal direction.
  • the electrode assembly may be a jelly roll type electrode assembly having a structure in which a first electrode and a second electrode having a sheet shape and a separator interposed therebetween are wound in one direction.
  • the present invention is not limited by the type of electrode assembly.
  • At least one of the first electrode and the second electrode includes an uncoated portion not coated with an active material at an end of a long side in a winding direction. At least a part of the uncoated portion is used as an electrode tab by itself.
  • the uncoated portion includes a core-side uncoated portion adjacent to the core of the electrode assembly, an outer circumferential uncoated portion adjacent to the outer circumferential surface of the electrode assembly, and an intermediate uncoated portion interposed between the core-side uncoated portion and the outer circumferential uncoated portion.
  • At least one of the core-side uncoated portion and the outer circumferential uncoated portion is relatively lower in height than the middle uncoated portion.
  • FIG. 4 is a plan view showing the structure of an electrode 60 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 60 of the embodiment includes a current collector 41 made of a metal foil and an active material layer 42 .
  • the metal foil may be a conductive metal, such as aluminum or copper, and is appropriately selected according to the polarity of the electrode 60 .
  • An active material layer 42 is formed on at least one surface of the current collector 41 .
  • the active material layer 42 is formed along the winding direction (X).
  • the electrode 60 includes an uncoated portion 43 at an end of the long side in the winding direction X.
  • the uncoated portion 43 is a partial area of the current collector 41 that is not coated with an active material.
  • a region of the current collector 41 on which the active material layer 42 is formed may be referred to as an active material portion.
  • the width of the active material portion in the direction of the short side of the current collector 41 may be 50 mm to 120 mm, and the length of the active material portion in the direction of the long side of the current collector 41 may be 3 m to 5 m. Accordingly, the ratio of the short side to the long side of the active material portion may be 1.0% to 4.0%.
  • the width of the active material portion in the direction of the short side of the current collector 41 may be 60 mm to 70 mm, and the length of the active material portion in the direction of the long side of the current collector 41 may be 3 m to 5 m. Accordingly, the ratio of the short side to the long side of the active material portion may be 1.2% to 2.3%.
  • the ratio of the short side to the long side of the active material portion is significantly smaller than the 6% to 11% ratio of the short side to the long side of the active material portion of an electrode used in a cylindrical battery having a 1865 or 2170 form factor.
  • an insulating coating layer 44 may be formed at a boundary between the active material layer 42 and the uncoated portion 43 . At least a portion of the insulating coating layer 44 overlaps the boundary between the active material layer 42 and the uncoated portion 43 .
  • the insulating coating layer 44 prevents a short circuit between two electrodes having different polarities facing each other with a separator interposed therebetween.
  • the insulating coating layer 44 may cover a boundary portion between the active material layer 42 and the uncoated portion 43 with a width of 0.3 mm to 5 mm. The width of the insulating coating layer 44 may vary along the winding direction of the electrode 60 .
  • the insulating coating layer 44 may include a polymer resin and may include an inorganic filler such as SiO 2 and Al 2 O 3 .
  • the portion of the current collector 41 covered by the insulating coating layer 44 may be regarded as a non-coating portion because it is not a region coated with an active material layer.
  • the uncoated portion 43 includes a core-side uncoated portion B1 adjacent to the core side of the electrode assembly, an outer circumferential uncoated portion B3 adjacent to the outer circumferential side of the electrode assembly, and a core-side uncoated portion B1 and an outer circumferential uncoated portion ( B3) and an intermediate uncoated portion B2 interposed therebetween.
  • the core-side uncoated portion B1, the outer circumferential uncoated portion B3, and the middle uncoated portion B3 are the uncoated portion of the area adjacent to the core side when the electrode 40 is wound as a jelly roll type electrode assembly, and the outer circumferential side, respectively. It can be defined as the non-coated area of the area adjacent to and the non-coated area of the remaining areas excluding these areas.
  • the core-side uncoated portion B1, the outer circumferential uncoated portion B3, and the middle uncoated portion B2 are referred to as a first part, a second part, and a third part, respectively.
  • the first portion B1 may be a non-coated portion of the electrode area including the innermost winding turn
  • the second portion B3 may be a non-coating portion of the electrode area including the outermost winding turn. Winding turns may be counted based on the core-side end of the electrode assembly.
  • the boundary of B1 / B2 is a point at which the height (or change pattern) of the non-coated portion substantially changes from the core side of the electrode assembly to the outer circumferential side, or a point of a predetermined % based on the radius of the electrode assembly (eg, 5 of the radius) %, 10%, 15% points, etc.).
  • the boundary of B2/B3 is the point at which the height (or change pattern) of the uncoated region substantially changes from the outer circumferential side of the electrode assembly to the core side, or a point at a predetermined % based on the radius of the electrode assembly (eg, 85% or 90% of the radius). , the 95% point, etc.).
  • the third portion B2 may be automatically specified.
  • the boundary of B2/B3 can be appropriately selected at a point near the outer circumferential side of the electrode assembly.
  • the second portion may be defined as an uncoated portion of the electrode region constituting the outermost winding turn.
  • the boundary of B1/B2 can be appropriately selected at a point near the core side of the electrode assembly.
  • the first portion B1 may be defined as an uncoated portion of an electrode region constituting the innermost winding turn.
  • the height of the uncoated portion 43 is not constant and there is a relative difference in the winding direction X. That is, the height (length in the Y-axis direction) of the second portion B3 is 0 or more, but is relatively smaller than those of the first portion B1 and the third portion B2.
  • the height of each part may be an average height or a maximum height, which is the same hereafter.
  • the third portion B2 is longer than the first portion B1 and the second portion B3.
  • the heights of the first part B1 and the second part B3 are 0 or more, but are relatively smaller than those of the third part B2. Also, the heights of the first portion B1 and the second portion B3 may be the same or different.
  • the width d B1 of the first portion B1 is designed under the condition that the core of the electrode assembly is not covered when the uncoated portion of the third portion B2 is bent toward the core.
  • the core refers to a cavity existing at the winding center of the electrode assembly.
  • the width d B1 of the first portion B1 may increase in proportion to the bending length of the uncoated portion closest to the core.
  • the width d B1 of the first portion B1 may be set so that the radial width of the winding turns formed by the first portion B1 is equal to or greater than the bending length of the uncoated region closest to the core.
  • the width (d B1 ) of the first portion (B1) is a value obtained by subtracting the radial width of the winding turns formed by the first portion (B1) from the bending length of the uncoated region closest to the core. It can be set to be small or less than 10% of the core radius.
  • the width (d B1 ) of the first portion (B1) is the diameter of the electrode assembly core and the plain closest to the core. It can be set to 180 mm to 350 mm according to the bending length of the sub-region.
  • At least a portion of the uncoated portion of the third portion B2 may include a plurality of segments 61 .
  • the plurality of segment pieces 61 may increase in height step by step from the core side to the outer circumference side.
  • the plurality of segments 61 may have the same height while going from the core side to the outer circumferential side.
  • the plurality of segments 61 have a geometric shape in which the width decreases from the bottom to the top.
  • the geometric figure is a trapezoid.
  • the shape of the geometric figure can be modified in various ways, such as a quadrangle or a parallelogram.
  • the segmental piece 61 may be laser notched.
  • the segment pieces 61 can be formed by a known metal foil cutting process such as ultrasonic cutting or punching.
  • the lower end of the cut groove between the segments 61 (G in FIG. 5) and the active material layer 42 ) it is desirable to leave a predetermined gap between them. This is because stress is concentrated near the lower end of the cut groove 63 when the uncoated portion 43 is bent.
  • the gap may vary along the winding direction of the electrode 60 .
  • the gap is preferably 0.2 mm to 4 mm, preferably 1.5 mm to 2.5 mm.
  • the gap When the gap is adjusted to the corresponding numerical range, the active material layer 42 and/or the insulating coating layer 44 near the bottom of the cut groove 63 are prevented from being damaged by stress generated during bending of the uncoated portion 43 can do.
  • the gap may prevent damage to the active material layer 42 and/or the insulating coating layer 44 due to tolerances during notching or cutting of the segmental piece 61 .
  • the gap In one direction parallel to the winding direction, the gap may be substantially the same or may vary. In the latter case, the plurality of segments may have variable gaps individually, in groups, or in groups of two or more along one direction parallel to the winding direction.
  • the lower end of the cut groove 63 and the insulating coating layer 44 may be spaced apart from each other by 0.5 mm to 2.0 mm.
  • the separation distance between the lower end of the cut groove 63 and the insulating coating layer 44 may be substantially the same or variable. In the latter case, the separation distance of the plurality of segments may vary individually, in groups, or in groups of two or more along one direction parallel to the winding direction.
  • the end of the insulating coating layer 44 in the direction of the winding axis (Y) may be located in the range of -2 mm to 2 mm along the direction of the winding axis based on the end of the separator.
  • the insulating coating layer 44 may prevent a short circuit between two opposing electrodes having different polarities with a separator interposed therebetween, and may support a bending point when the segment piece 61 is bent. In order to improve the effect of preventing a short circuit between the two electrodes, the insulating coating layer 44 may be exposed to the outside of the separator. In addition, in order to further maximize the effect of preventing a short circuit between the two electrodes, the width of the insulating coating layer 44 may be increased so that the end portion of the insulating coating layer 44 in the direction of the winding axis (Y) is positioned above the lower end of the cut groove 63. there is.
  • an end of the insulating coating layer 44 in the direction of the winding axis may be located within a range of -2 mm to +2 mm based on the lower end of the cut groove 63 .
  • the thickness of the insulating coating layer 44 may be thinner than that of the active material layer. In this case, a gap may exist between the surface of the insulating coating layer 44 and the separator.
  • the plurality of segment segments 61 may form a plurality of segment segment groups going from the core side to the outer circumference side. At least one of a width, a height, and a spaced pitch of segments belonging to the same segment group may be substantially the same. Preferably, segments belonging to the same segment group may have the same width, height, and pitch.
  • segment segments belonging to the same segment group may have substantially the same width and height.
  • the pitch of the plurality of segment segments may increase gradually or stepwise from the core side to the outer circumferential side in groups or in groups of two or more, or vice versa.
  • the plurality of segments are grouped or in groups of two or more, and the spacing pitch gradually or stepwise increases from the core side to the outer circumferential side, and then gradually or stepwise decreases or vice versa.
  • the gap between the lower end of the cutting groove 63 and the insulating coating layer 44 or the active material layer 42 gradually or stepwise increases as the gap goes from the core side to the outer circumferential side, or vice versa versa).
  • the gap between the lower end of the cutting groove 63 and the insulating coating layer 44 or the active material layer 42 gradually or stepwise increases or gradually or stepwise as the gap goes from the core side to the outer circumferential side. can be reduced to , or vice versa.
  • Figure 5 shows the definition of the width (D), height (H) and separation pitch (P) of the trapezoidal segments (61).
  • the width (D), height (H), and spacing pitch (P) of the segments 61 are determined to prevent the uncoated portion 43 from being torn near the bending point during bending of the uncoated portion 43. It is designed to prevent abnormal deformation of the uncoated portion 43 while sufficiently increasing the number of overlapping layers of the uncoated portion 43 to ensure sufficient welding strength.
  • the segment piece 61 is bent at the line G passing through the lower end of the cutting groove 63 or at the top thereof.
  • the cutting groove 63 enables smooth and easy bending of the segmental segment 61 in the radial direction of the electrode assembly.
  • the width (D) of the segmental segment 61 is the length between two points where two straight lines extending from both sides 63b of the segmental segment 61 and a straight line extending from the bottom 63a of the cutting groove 63 meet. is defined as
  • the height H of the segment 61 is defined as the shortest distance between the uppermost side of the segment 61 and a straight line extending from the bottom 63a of the cut groove 63 .
  • the separation pitch P of the segments 61 is the distance between two points where a straight line extending from the bottom 63a of the cutting groove 63 and the straight lines extending from the two side sides 63b connected to the bottom 63a meet. defined by length.
  • the straight line can be replaced with a tangent extending from the side 63b and/or the bottom 63a at the intersection where the side 63b and the bottom 63a meet.
  • the width D of the segmental piece 61 is 1 mm or more.
  • D is less than 1 mm, when the segment segments 61 are bent toward the core, a region where the segment segments 61 do not overlap or an empty space (gap) may occur to the extent that welding strength can be sufficiently secured.
  • the width D of the segment segment 61 is such that the segment segment 61 is well overlapped in the radial direction when the segment segment 61 is bent toward the core side of the electrode assembly.
  • the width D may be adaptively adjusted according to the radius of the winding turn located.
  • FIG. 6A shows the formation of the lower end (line segment D ab in FIG. 5 ) of the segment segment 61 in which the width D of the segment segment 61 is defined when the electrode 60 is wound according to an embodiment of the present invention. It is a drawing showing the circular arc (A 1 A 2 ) with respect to the core center (O) of the electrode assembly.
  • the circular arc A 1 A 2 has a length corresponding to the width D of the segment 61 and has a circumferential angle ⁇ based on the center of the core of the electrode assembly.
  • the circumferential angle ( ⁇ ) can be defined as the angle between the two lines connecting both ends of the arc (A 1 A 2 ) and the core center (O) on a plane perpendicular to the winding axis passing through the arc (A 1 A 2 ). there is.
  • the circumferential angle ⁇ affects the bending quality of the segment segment 61 .
  • the solid arrow indicates the direction of force applied to bend the segment segment 61 and the dotted arrow represents the direction in which the segment segment 61 is bent.
  • the bending direction is a direction toward the core center (O).
  • the circumferential angle ( ⁇ ) of the segment piece 61 is 45 degrees or less, preferably 30 degrees, depending on the radius r of the winding turn where the segment piece 61 is located in order to improve the uniformity of bending and prevent the occurrence of cracks. may be below.
  • the circumferential angle ( ⁇ ) of the segment piece 61 may gradually or gradually increase or decrease along the radial direction of the electrode assembly within the above numerical range. In another aspect, the circumferential angle ( ⁇ ) of the segment piece 61 may gradually or stepwise increase or gradually or stepwise decrease along the radial direction of the electrode assembly within the above numerical range, and vice versa. (vice versa) is also possible. In another aspect, the circumferential angle ⁇ of the segments 61 may be substantially the same along the radial direction of the electrode assembly within the above numerical range.
  • the segment segment 61 when the circumferential angle ⁇ of the segment segment 61 exceeds 45 degrees, the segment segment 61 does not have a uniform bending shape. The difference between the force applied to the center portion and the side portion of the segment piece 61 increases, so that the segment piece 61 is not uniformly pressed in the circumferential direction. In addition, if the pressing force is increased for uniformity of bending, cracks may occur in the uncoated portion 43 near the cutting groove 63.
  • the circumferential angles ⁇ of the segments 61 included in the electrode 60 are substantially the same, and the width of the segment segments 61 is the radius r of the winding turn in which the segment segments 61 are located. ) can increase proportionally. Substantially identical means completely identical or with a variance of less than 5%.
  • the circumferential angle ⁇ of the segment segments 61 is 28.6
  • the width D of the segment segment 61 may proportionally increase according to the radius r of the winding turn in which the segment segment 61 is located, as shown in Table 1 below. That is, the width of the segmental piece 61 may increase at substantially the same rate by 0.5 mm whenever the radius r of the winding turn increases by 1 mm.
  • the width D(r) of the segment piece 61 located in a winding turn having a radius r based on the core center O of the electrode assembly may be determined within a range satisfying Equation 1 below.
  • each of the plurality of segments 61 has a width D(r) in the winding direction gradually increases as the radius r of the winding turn in which the segment segments 61 are located increases with respect to the center of the core of the electrode assembly. It can be incrementally increased or vice versa.
  • each of the plurality of segments 61 has a width D in the winding direction in the range of 1 mm to 11 mm as the radius r of the winding turn in which the segment segments 61 are located increases with respect to the center of the core of the electrode assembly. (r) may increase gradually or stepwise, or vice versa.
  • each of the plurality of segments 61 has a gradual width D(r) in the winding direction as the radius r of the winding turn in which the segment segments 61 are located increases with respect to the center of the core of the electrode assembly. It may increase to or stepwise and then decrease gradually or stepwise, or vice versa.
  • each of the plurality of segments 61 has a width in the winding direction in the range of 1 mm to 11 mm as the radius r of the winding turn in which the segment segments 61 are located increases with respect to the center of the core of the electrode assembly.
  • D(r) may increase gradually or stepwise and then decrease gradually or stepwise, or vice versa.
  • the rate at which the width D(r) of the segment segment 61 changes may be the same or different.
  • the rate at which the width D(r) of the segment segment 61 changes in the range of 1 mm to 11 mm may be the same or different.
  • the height H of the segmental segment 61 may be 2 mm or more. If D2 is less than 2 mm, when the segment segment 61 is bent toward the core, a region where the segment segment 61 does not overlap or an empty space (gap) may occur to the extent that welding strength can be sufficiently secured.
  • the height H of the segment 61 may be determined by applying a condition in which the core is not shielded when the segment 61 is bent toward the core.
  • the height H of the segment 61 can be adjusted so that more than 90% of the diameter of the core can be opened to the outside.
  • the height H of the segment piece 61 may increase from the core side to the outer circumferential side depending on the radius of the winding turn where the segment piece 61 is located and the radius of the core.
  • the kth height h of the segment segment 61 k (k is a natural number from 1 to N)
  • r k is the starting radius of the winding turn including the segment segment 61 having a height h k and r c is the radius of the core
  • Equation 2 If the height (h k ) of the segment segment 61 satisfies Equation 2, even if the segment segment 61 is bent toward the core, more than 90% of the diameter of the core can be opened to the outside.
  • the total winding turn radius of the electrode 60 is 22 mm
  • the height of the segment segment 61 starts from 3 mm
  • the segment segment segment 61 is increased every time the radius of the winding turn including the segment segment 61 increases by 1 mm.
  • the height of 61 is sequentially increased to 3mm, 4mm, 5mm, and 6mm, and the height may remain substantially the same at 6mm in the remaining winding turns. That is, among the radii of the entire winding turn, the radial width of the variable height section of the segment piece 61 is 3 mm, and the remaining radius sections correspond to the uniform height section.
  • the starting radii r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 of the winding turns including the segment segments 61 having heights of 3 mm, 4 mm, 5 mm, and 6 mm according to the radius (r c ) of the core of the electrode assembly are , when ⁇ is 1 and the equality condition is applied in the right-hand inequality, it can be as shown in Table 2 below.
  • r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 shown in Table 2 may be shifted to the core side according to the value of ⁇ .
  • ⁇ is 0.90
  • r 1 , r 2 , r 3 , r 4 may be shifted towards the core by 10% of the core radius. In this case, when the segment segment 61 is bent toward the core, 10% of the radius of the core is shielded by the segment segment 61 .
  • r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 shown in Table 2 are limit values of the starting position of the segment segment 61 . Accordingly, the position of the segment segment 61 may be shifted a predetermined distance to the outer circumference side than the radius shown in Table 2.
  • FIG. 6B shows the height h 1 , h 2 , h 3 , h 4 of the segment segment 61 , the core radius ( r c ), and the diagram schematically showing the relationship among the radii r 1 , r 2 , r 3 , r 4 of the winding turn at which the segment segments 61 begin to appear.
  • the starting radius r 1 , r 2 , r 3 and r 4 of the winding turn including the segmental piece 61 having a height may be 6 mm, 7 mm, 8 mm and 9 mm, respectively, and the radius is 9 mm to the last winding turn.
  • the height of the slice 61 may be maintained at 6 mm.
  • the segment pieces 61 may not be included in the winding turns having a radius smaller than 6 mm (r 1 ).
  • the segmental segment 61 with a height of 3mm (h 1 ) closest to the core C is located from the winding turn having a radius of 6mm, even if the segmental segment 61 is bent toward the core C, it is 3mm to 6mm Covering only the radius section of the core (C) is not substantially shielded.
  • the position of the segment 61 may be shifted toward the core C within 10% of the core radius r c .
  • the height of the segment segment 61 may increase at the same or different rate as the starting radius r of the winding turn in which the segment segment 61 is located increases based on the center of the core of the electrode assembly.
  • the height H of the segment 61 may satisfy Equation 2 and at the same time, the maximum height of the segment 61 may be limited.
  • FIG. 6C is a conceptual diagram for determining the maximum value (h max ) of the height (H) of the segment 61 in a variable height section.
  • the electrode E 1 including the segment 61 faces the electrode E 2 of the opposite polarity with the separator S interposed therebetween in the radial direction. Both surfaces of the electrode E 1 are coated with the active material layer E 1,active , and both surfaces of the electrode E 2 are also coated with the active material layer E 2,active .
  • the end (S end ) of the separator (S) may further extend outward from the end (E 2 ,end ) of the electrode (E 2 ) to a length corresponding to the insulating gap (W gap ). Also, the end of the electrode E 1 does not extend outward beyond the end of the electrode E 2 for electrical insulation.
  • a section corresponding to the insulation gap (W gap ) must be secured at the lower end of the uncoated portion 43 .
  • the end S end of the separator S causes meandering. Therefore, in order for the segment 61 to be exposed to the outside of the separator S, a section W margin,min corresponding to the minimum meandering margin of the separator S must be allocated to the uncoated portion 43 .
  • a minimum cutting scrap margin (W scrap,min ) should be allocated to the end of the current collector foil. Accordingly, the maximum height (h max ) of the segment 61 in the height variable section of the segment 61 may be determined by Equation 3 below. In Equation 3, W foil corresponds to the width of the current collector foil before the current collector foil is cut.
  • h max W foil - W scrap,min - W margin,min - W gap
  • the insulation gap W gap may be 0.2 mm to 6 mm when the first electrode is an anode.
  • the insulating gap W gap may be 0.1 mm to 2 mm when the first electrode is a negative electrode.
  • the cutting minimum scrap margin W scrap,min may be 1.5 mm to 8 mm.
  • the minimum cutting scrap margin (W scrap,min ) may not be allocated according to the process of forming the segmental piece 61 .
  • the cut groove 63 may be formed so that the upper side of the segment piece 61 and the upper side of the current collector foil coincide with each other. In this case, in Equation 3, W scrap,min may be 0.
  • the minimum meandering margin W margin,min of the separator may be 0 to 1 mm.
  • the minimum cutting scrap margin (W scrap,min ) is 1.5mm
  • the minimum meandering margin (W margin,min ) of the separator (S) may be 0.5mm.
  • Equation 3 when the current collector foil width (W foil ) before forming the segment piece 61 is 8 mm to 12 mm and the insulation gap (W gap ) is 0.6 mm, 0.8 mm, and 1.0 mm, Equation 3 is used.
  • the result of calculating the maximum height (h max ) of the fragment 61 is shown in Table 3 below.
  • the maximum height (h max ) of the segment segment 61 in the height variable section of the segment segment 61 may be set to 10 mm. Therefore, the height of the segment 61 in the variable height range of the segment 61 may satisfy Equation 2 and increase stepwise or gradually along the radial direction of the electrode assembly in the range of 2 mm to 10 mm.
  • the separation pitch P of the segments 61 can be adjusted in the range of 0.05 to 1 mm. If the spacing P is less than 0.05 mm, cracks may occur in the uncoated portion 43 near the lower end of the cut groove 63 due to stress when the electrode 60 runs in a winding process or the like.
  • the separation pitch (P) exceeds 1 mm, a region where the segment segments 61 do not overlap with each other or an empty space (gaps) may occur to the extent that the segment segments 61 can sufficiently secure welding strength when the segment segments 61 are bent. there is.
  • the separation pitch P is 0.5 mm or more.
  • the separation pitch P is 0.5 mm or more, even when the electrode 60 travels at a speed of 100 mm/sec or more under a tension of 300 gf or more in a winding process or the like, it is possible to prevent cracks from occurring at the bottom of the cut groove 63. there is.
  • a cut groove 63 is interposed between two segment segments 61 adjacent in the winding direction X.
  • the cut groove 63 corresponds to a space created when the uncoated portion 43 is removed.
  • the corners of both ends of the lower end of the cutting groove 63 have a round shape. That is, the cut groove 63 includes a substantially flat bottom portion 63a and a round portion 63c.
  • the round part 63c connects the bottom part 63a and the side part 63b of the segmental piece 61.
  • the bottom portion 63a of the cut groove 63 may be replaced with an arc shape. In this case, the side edges 63b of the segment 61 may be smoothly connected by the circular arc shape of the bottom 63a.
  • the radius of curvature of the round portion 63c may be greater than 0 and less than or equal to 0.5 mm, preferably greater than 0 and less than or equal to 0.1 mm, and more preferably 0.01 mm to 0.05 m.
  • the radius of curvature of the round portion 63c satisfies the above numerical range, it is possible to prevent cracks from being generated at the bottom of the cut groove 63 while the electrode 60 is driven in a winding process or the like.
  • the plurality of segment segments 61 may have lower interior angles ⁇ that increase from the core side to the outer circumferential side.
  • the lower interior angles ⁇ of the plurality of segments 61 may gradually or stepwise increase from the core side to the outer circumferential side.
  • the lower interior angle ⁇ is an angle between a straight line extending from the bottom portion 63a of the cutting groove 63 and a straight line extending from the side portion 53b of the segmental piece 61.
  • the radius of curvature increases. If the lower interior angle ⁇ of the segment segment 61 increases as the radius of the electrode assembly increases, stress generated in the radial and circumferential directions when the segment segment 61 is bent can be relieved. In addition, when the lower interior angle ⁇ increases, when the segment piece 61 is bent, the overlapping area and the number of overlapping layers with the inner segment piece 61 also increase, thereby ensuring uniform welding strength in the radial and circumferential directions. and the bending surface area can be formed flat.
  • the lower interior angle ⁇ may be determined by the radius of the winding turn where the segment segment 61 is located and the width D of the segment segment 61 .
  • 6D is a schematic diagram for explaining a formula for determining the lower interior angle ⁇ of the segmental segment 61.
  • the side edges of the segment segment 61 are the line segments AE and DE that connect the end points A and D, which are both end points of the segment AD corresponding to the width D of the segment segment 61, and the core center E. It is ideal to match
  • the lower interior angle ⁇ refer of the segment segment 61 assumes that the segment EF is approximately equal to the segment AE and the segment DE, the following equation Using 4, it can be approximately determined from the width (D) of the segment segment 61 and the radius (r) of the winding turn in which the segment segment 61 is located.
  • the angle of Equation 4 is an ideal reference angle for the lower interior angle ⁇ refer of the segmental segment 61 .
  • a separation pitch P exists between adjacent segment segments 61 located in the same winding turn.
  • the length of the separation pitch (P) was expressed as p. Since the separation pitch P exists between the adjacent segments 61, a tolerance of 50% of the separation pitch p may be given to the lower interior angle ⁇ . That is, the width of the upper side BC of the segment segment 61 may be increased by a maximum of p/2 up to the upper side B'C'.
  • the lower interior angle ( ⁇ ′) in which the tolerance is reflected can be expressed by Equation 5 below.
  • the lower interior angle ⁇ refer is an ideal reference angle ⁇ BAG, and the lower interior angle ⁇ ' is an angle ⁇ B'AG' in which a tolerance according to the separation pitch p is reflected.
  • H is the height of the segments 61, and p corresponds to the spacing pitch.
  • the lower interior angle ⁇ of the segment segment 61 located at each winding turn of the electrode assembly may satisfy Equation 6 below. Then, when the segment segments 61 are bent toward the center of the core of the electrode assembly, the segment segments 61 adjacent in the circumferential direction do not interfere with each other and can be smoothly bent.
  • the lower interior angle of the segment segment 61 is gradually or stepwise from 60 degrees to 85 degrees in the height variable section. can increase to
  • the lower interior angle ⁇ of the plurality of segments 61 may gradually or stepwise increase while going from the core side to the outer circumferential side in units of one or two or more groups.
  • the left lower interior angle and the right lower interior angle of the segmental segment 61 may not be the same. Nonetheless, the lower interior angle ⁇ of either side may be designed to satisfy Equation 6 described above.
  • the width (d B1 ) of the first part (B1) is 90 for the core of the electrode assembly based on its diameter when the segment 61 of the third part (B2) is bent toward the core. It is designed to be open to the outside by more than %.
  • the width (d B1 ) of the first portion B1 may increase in proportion to the bending length of the segment segment 61 of group 1.
  • the bending length corresponds to the length from the bending point to the upper end of the segment segment 61 .
  • the width (d B1 ) of the first portion (B1) is equal to the diameter of the electrode assembly core and the number of those included in group 1. Depending on the height of the slice 61, it can be set to 180 mm to 350 mm.
  • the bending point of the segment piece 61 may be set at a line passing through the lower end of the cut groove 63 or at a point spaced a predetermined distance upward from the line. If the segment segment 61 is bent toward the core at a point spaced apart from the lower end of the cut groove 63 by a predetermined distance, the segment segment overlapping in the radial direction is better achieved. When the segment pieces 61 are bent, the segment pieces on the outside press the segment pieces on the inside based on the center of the core. At this time, if the bending point is spaced apart from the lower end of the cutting groove 63 by a predetermined distance, the inner segment pieces are pressed in the direction of the winding axis by the outer segment pieces, and the overlapping segments are better achieved.
  • the separation distance between the bending points may be preferably 1 mm or less. Since the minimum height of the fragment is 2 mm, the ratio of the minimum height to the distance between the bending points may be 50% or less.
  • the width of each segment group can be designed to configure the same winding turn of the electrode assembly.
  • the winding turn may be counted based on the end of the first portion B1 when the electrode 60 is in a wound state.
  • the width of each segment group can be designed to configure at least one or more winding turns of the electrode assembly.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of segment segments 61 belonging to the same segment group may be gradually and/or stepwise and/or irregular within a group or between adjacent groups. may increase or decrease.
  • Groups 1 to 8 are merely examples of segment groups included in the third portion B2.
  • the number of groups, the number of segments 61 included in each group, and the width of the groups are such that the stress during the bending process of the uncoated portion 43 is distributed as much as possible and the strength of welding with the current collector is sufficiently secured. (61) can be preferably adjusted to overlap in several layers.
  • the heights of segment segments 61 in the third portion B2 may be uniform.
  • the segmental structure of the third part B2 can be extended to the second part B3 (refer to the dotted line).
  • the second portion B3 may also include a plurality of segments similarly to the third portion B2.
  • the segmental structure of the second portion B3 may be substantially the same as that of the outermost segment segment group of the third portion B2.
  • the segment segments included in the second portion B3 and the third portion B2 may have substantially the same width, height, and spacing pitch.
  • the segments of the second portion B3 may have a greater width and/or height and/or spacing than the third portion B2.
  • the section (group 1 to group 7) in which the height of the segment 61 increases step by step based on the winding direction of the electrode 60 is defined as a variable height section, and at the end A segment group (group 8) with a segment segment may be defined as a height uniform section in which the height of segment segments is maintained uniformly.
  • the height of h 1 to h N-1 (N is a height index and is a natural number greater than or equal to 2).
  • the section in which the segment 61 having a height is disposed corresponds to a height variable section, and the section in which the segment fragment 61 having a height of h N is arranged corresponds to a uniform height section.
  • the ratio of the height variable section and the height uniform section to the length of the electrode 60 in the winding direction will be described later with reference to specific embodiments.
  • the width d B1 of the first portion B1 may be 180 to 350 mm.
  • the width of group 1 may be 35 to 40% of the width of the first portion B1.
  • the width of group 2 may be 130 to 150% of the width of group 1.
  • the width of group 3 may be 120 to 135% of the width of group 2.
  • the width of group 4 may be 85 to 90% of the width of group 3.
  • the width of group 5 may be 120 to 130% of the width of group 4.
  • the width of group 6 may be 100 to 120% of the width of group 5.
  • the width of group 7 may be 90 to 120% of the width of group 6.
  • the width of group 8 may be 115 to 130% of the width of group 7.
  • the width d B3 of the second portion B3 may be 180 to 350 mm similarly to the width of the first portion B1.
  • the reason why the width of groups 1 to 8 does not show a constant increase or decrease pattern is that the width of segment segments gradually increases from group 1 to group 8, but the number of segment segments included in a group is limited to an integer number and the thickness of the electrode is in the winding direction. This is because there is a slight variance in Accordingly, the number of segment segments may be reduced in a specific segment group. Accordingly, the width of the group may exhibit an irregular change pattern as shown in the above example while going from the core side to the outer circumferential side.
  • W3 / W2 is smaller than W2 / W1.
  • groups 4 to 6 correspond to the above cases.
  • the width ratio of group 5 to group 4 is 120 to 130%, and the width ratio of group 6 to group 5 is 100 to 120%, which is less than 120 to 130%.
  • the third portion B2 corresponding to the segment segment section has a spaced pitch between groups along the winding direction X as shown in FIG. 7A ( It may include a plurality of segmental segment groups 61g arranged with P g ). The number of segment segments 61 included in the segment segment group 61g may be at least one. A section corresponding to the spacing pitch P g between groups corresponds to a segment segment omission section 64 without a segment segment.
  • the spacing pitch (P g ) between groups may gradually or stepwise increase from the core side to the outer circumferential side.
  • the height of the uncoated portion existing in the segment omission section 64 may correspond to the height of the first portion B1 and/or the second portion B3.
  • the spacing pitch P g between groups of segment segment groups 61g disposed in the same winding turn (k turn or k+1 turn) of the electrode assembly JR is substantially the same, and the winding turn As this increases from k turns to k+1 turns, the inter-group spacing pitch (P g ) may also gradually increase.
  • the electrode 60 when the electrode 60 is wound, at least one or more segments are aligned in the circumferential direction based on the core center C of the electrode assembly JR. It can be set to configure the section 66.
  • the dotted line schematically represents the winding turn
  • the thick solid line schematically represents the segment segment group 61g arranged in the winding turn.
  • the segment segment group 61g may be divided into one or more segment segments 61 .
  • the structure shown in FIG. 7C is the anode-side structure of the electrode assembly JR. However, a similar structure may also be applied to the cathode side of the electrode assembly JR.
  • the segment aligning portion 66 is a section in which the segment groups 61g are arranged in the radial direction when the electrode 60 is wound.
  • the segment aligning part 66 is formed at one end and/or the other end perpendicular to the direction of the winding axis Y of the electrode assembly JR.
  • the number of segment arranging units 66 may be n. n may be 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9. An embodiment in which the segment arranging unit 66 is one is not excluded.
  • n segment segment groups 61g may be arranged in the same winding turn.
  • the n segments 61g may be arranged at substantially equal intervals along the winding direction X.
  • the n segment arranging units 66 may be arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the core C. Rotationally symmetric angles can be 40 degrees, 45 degrees, 60 degrees, 72 degrees, 90 degrees, 120 degrees or 180 degrees. Alternatively, the n segment aligning units 66 may be arranged point-symmetrically with respect to the center of the core C.
  • the n segment aligning units 66 may have a radially extending structure based on the center of the core of the electrode assembly JR.
  • the radial extension structure means a structure in which the width in a circumferential direction gradually or stepwise increases as a certain area goes from the core side to the outer circumferential side.
  • the segment arranging unit 66 includes an inner arc Arc1 adjacent to the core side of the electrode assembly JR, an outer arc Arc2 adjacent to the outer circumferential surface of the electrode assembly JR, and each segment group ( 61g) may have a geometrical shape consisting of two lines (L1, L2) connecting the end of the winding turn arc from the core side to the outer circumferential side.
  • the two lines L1 and L2 may be straight lines or may be curved or a combination thereof. As will be described later, the two lines L1 and L2 may have a non-linear and irregular change pattern along the radial direction.
  • the segment arranging unit 66 may have a fan shape with a central portion removed.
  • the segment arranging unit 66 may have a geometric figure such as a square, a rectangle, a parallelogram, or a trapezoid in addition to a sector shape.
  • the segment arranging unit 66 may include p segment groups 61g (p is a natural number greater than 2) disposed along the radial direction.
  • the number of segment groups 61g included in each segment arranging unit 66 may be the same or different.
  • the difference in the number of segment groups 61g may be 1 to 3.
  • the height of the segment segments 61 included in the p segment groups 61g may increase in stages from the core side to the outer circumference side.
  • the heights of the segment segments 61 included in the p segment groups 61g may be substantially the same along the radial direction.
  • the above-described configuration regarding the width, height, and separation pitch of the segments 61 may be applied substantially the same in this embodiment. That is, except for the fact that the electrode 60 further includes a plurality of segment-segment skipping sections 64, the rest of the configuration may be the same as that of the foregoing embodiment.
  • Electrolyte impregnating parts 55 may be provided between segment aligning parts 66 adjacent in the circumferential direction.
  • the electrolyte impregnated portion 55 may radially extend from the center of the core C.
  • the electrolyte-impregnated portion 55 corresponds to a portion of the winding turns formed by winding the uncoated region 43 provided between the segments 61g adjacent in the winding direction (x).
  • the electrolyte impregnation part 55 is a section in which the electrolyte EL can be mainly impregnated, and has a height lower than the height of the segment aligning part 66 in the winding axis direction Y.
  • the segment 61 protruding to the outside of the separator Se does not exist in the electrolyte impregnated portion 55 .
  • the ends of the active material layer a1 of the positive electrode E1 and the active material layer a2 of the negative electrode E2 are formed between the separators Se adjacent in the radial direction of the electrode assembly JR. It is recessed and spaced apart from the end of the separator Se by a predetermined interval.
  • the separation distance may be 0.6 mm to 1 mm.
  • An insulating coating layer 44 may be formed on at least one of the ends of the anode E1 and the cathode E2.
  • An end of the positive electrode E1 may include a sliding portion in which the thickness of the active material layer a1 gradually decreases.
  • the arrangement structure of the electrode and separator shown in FIG. 7C may be applied to the other end of the electrode assembly JR.
  • the insulating coating layer 44 and the sliding part at the other end of the electrode assembly JR may be formed at the end of the negative electrode E2.
  • the electrolyte EL may be impregnated into the electrode assembly JR while directly contacting the positive electrode E1 and the negative electrode E2 through the gap provided between the ends of the separators Se. Specifically, the electrolyte EL dropped onto the electrode assembly JR quickly permeates into the electrode assembly JR while contacting the ends of the positive electrode E1 and the negative electrode E2 and the end of the separator Se at the same time. do. Thereby, the electrolyte impregnability (speed and uniformity) can be remarkably improved.
  • the central points of the winding arcs at which the p segment groups 61g are located may be defined as C 1 to C p from the core side toward the outer circumference, respectively.
  • the central points C 1 to C p of the winding arcs extend radially from the center of the core C. It is located on a predetermined alignment line (L align ). Accordingly, the segment aligning unit 66 has a symmetrical geometrical shape.
  • the positive and negative electrodes used in the manufacture of the electrode assembly JR have design thicknesses and tolerances.
  • a tolerance can be a positive number or a negative number. When the tolerance is a positive number, the electrode is thicker than the design thickness. Conversely, when the tolerance of the electrode is negative, the electrode is thinner than the design thickness.
  • the anode can have a positive tolerance and the cathode a negative tolerance, and vice versa. Also, the positive electrode and the negative electrode together may have a positive tolerance or a negative tolerance.
  • Anode and cathode tolerances can be summed as electrode tolerances.
  • the electrode tolerance may be 3 ⁇ m.
  • the electrode tolerance may be 1 ⁇ m.
  • the radius at which each winding turn is located is greater than the design radius. Accordingly, the segment segment group 61g rotates in a direction opposite to the winding direction of the electrode assembly JR based on the design position on the alignment line L align , as shown in FIG. 7D .
  • ⁇ + denotes the rotation angle in the clockwise direction.
  • the tolerance of the electrode is a negative number
  • the radius at which each winding turn is located is less than the design radius. Accordingly, the segment group 61g rotates in the same direction as the winding direction of the electrode assembly JR based on the design position on the alignment line L align as shown in FIG. 7E .
  • ⁇ - represents the rotation angle in the counterclockwise direction.
  • At least some of the central points C 1 to C p of the winding turn arc at which each segment group 61g is located extend radially from the center of the core. It may not be located on the aligned line (L align ).
  • the distance at which the central points C 1 to C p of the winding arcs are spaced from the alignment line L align in the circumferential direction may increase from the core side to the outer circumferential side. This is because the increase in the radius of the winding turn due to the thickness tolerance of the electrode is proportionally accumulated from the core side to the outer circumferential side.
  • the tolerance of the electrode is a numerical value based on an average concept. Therefore, the thickness of the electrode may show a difference from the thickness corresponding to (design thickness + tolerance) according to the position in the winding direction (X). Therefore, in the segment arranging unit 66, the amount of rotation of the segment group 61g located at each winding turn may show a difference as shown in FIG. 7F. If there is a difference in the amount of rotation of each segment segment group 61g, the lines L1 and L2 connecting both ends of the winding turn included in the segment segment arranging unit 66 may be transformed from a straight line to an irregular line. However, the rotationally symmetrical structure, the point symmetrical structure, or the radial extension structure of the segment arranging unit 66 may be maintained as it is.
  • the tolerance of the electrode when the tolerance of the electrode is a positive number, 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 90% or more of C 1 to C p is the electrode assembly (JR) based on the alignment line (L align ) It can be rotated in the opposite direction to the winding direction of In addition, when the tolerance of the electrode is negative, 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 90% or more of C 1 to C p is the electrode assembly (JR) based on the alignment line (L align ) can be rotated in the winding direction of
  • the ratio of C 1 to C p out of the alignment line (L align ) may converge toward 100% as the thicknesses of the positive electrode and the negative electrode are uniform in the winding direction of the electrode.
  • the segment group 61g included in the segment arranging unit 66 may be bent toward the core C of the electrode assembly JR to form a bending surface area F.
  • the electrode assembly JR may include a current collector (not shown) welded to the bent surface area F.
  • Reference numeral W L denotes a welding line of the current collector.
  • the welding line W L may be formed on the bending surface area F of each segment aligning portion 66 .
  • the welding line W L may be a laser welding line.
  • the minimum width of the welding line W L may be 1 mm.
  • the circular pattern of the welding line (W L ) schematically represents the irradiation point of the laser beam. The minimum width can be obtained when the welding points are radially formed in a two-row structure by means of a laser beam.
  • the winding turn arcs on which the p segment groups 61g included in the segment segment aligning unit 66 are located are the welding line W L of the current collector and, optionally, a virtual line extending from the welding line W L with the same width. can intersect with the line (W * L ) of
  • the thickness tolerance of the electrode used in manufacturing the actual electrode assembly JR is predicted in advance compared to the design condition of the electrode thickness.
  • the tolerance for electrode thickness may be 1 um to 5 um.
  • the tolerance of the electrode is preferable as it converges to 0, but the tolerance of the electrode at the level of 1 ⁇ m is unavoidable.
  • an electrode tolerance greater than 5 ⁇ m greatly changes the diameter of the electrode assembly JR, thereby adversely affecting the quality of the battery. Therefore, it is preferable to manage the tolerance of the electrode at the level of 1um to 5um. If the tolerance for the electrode thickness is predicted, it is assumed that there is no deviation of the electrode thickness along the winding direction of the electrode, and the maximum rotation angle of the segment group 61g in the clockwise or counterclockwise direction is determined based on the predicted tolerance. can
  • 7h and 7i are parameters calculated based on the predicted thickness tolerance of the electrode, respectively, for the segment group 61g, the maximum clockwise rotation angle ( ⁇ +,max ) and the counterclockwise maximum rotation angle ( ⁇ -, max ).
  • the counterclockwise direction is the same direction as the winding direction
  • the clockwise direction is the opposite direction to the winding direction.
  • the maximum rotation angle ( ⁇ +,max ) is obtained when the electrode thickness tolerance is positive, and the maximum rotation angle ( ⁇ ⁇ ,max ) is obtained when the electrode thickness tolerance is negative.
  • Table 4 shows the calculated result values of ⁇ +,max and ⁇ -,max calculated for the thickness tolerance of the electrode.
  • Anode tolerance, cathode tolerance and electrode tolerance may have other values than the values shown in the table.
  • various combinations of anode tolerance and cathode tolerance are possible. For example, when the anode tolerance is 1.3um and the cathode tolerance is 1.7um, it also corresponds to tolerance condition 5 in which the electrode tolerance is 3um.
  • tolerance condition anode tolerance cathode tolerance electrode tolerance (Sum Tolerance) ⁇ +,max (degree) ⁇ - ,max (degree) design circumferential minimum
  • the minimum circumferential angle of the segment arranging unit 66 may be designed to correspond to the sum of ⁇ -,max and ⁇ +,max .
  • the design means that the segment segments 61g can be arranged in a fan-shaped area having a larger circumferential angle than the minimum circumferential angle when the electrode is wound by adjusting the width and spacing pitch P g of the segment segment groups 61g. means that
  • the actual shape of the segment arranging portion 66 is deformed as shown in FIG. 7F by rotation of the segment segment groups 61g when viewed in the direction Y of the winding axis.
  • the winding turn arcs where the segment fragment groups 61g are located and the welding line W L intersect each other there is no problem in proceeding with the welding process.
  • the segment groups 61g included in the segment aligning unit 66 rotate at a maximum of 19 degrees in a clockwise direction and at a maximum of 19 degrees in a counterclockwise direction. can also rotate. Therefore, if the width and spacing P g of the segment group 61g are designed such that the circumferential angle of the segment arranging portion 66 exceeds 38 degrees from a purely design point of view, excluding the thickness tolerance of the electrode, it is actually manufactured.
  • the electrode assembly JR a condition is established in which the welding line W L and, optionally, the imaginary line W * L extending therefrom intersect with the winding turn arcs corresponding to the segment segments 61g. As a result, the current collector can be stably welded on the bent surface area F.
  • the segment groups 61g included in the segment alignment unit 66 rotate clockwise by up to 34 degrees and counterclockwise by up to 34 degrees. can do. Therefore, if the width and spacing P g of the segment group 61g are designed so that the circumferential angle of the segment arranging portion 66 exceeds 68 degrees from a purely design point of view, excluding the thickness tolerance of the electrode, it is actually manufactured.
  • the electrode assembly JR a condition is established in which the welding line W L and, optionally, the imaginary line W * L extending therefrom intersect with the winding turn arcs corresponding to the segment segments 61g.
  • the current collector can be stably welded on the bent surface area F.
  • the segment groups 61g included in the segment alignment unit 66 rotate at a maximum of 50 degrees in a clockwise direction and at a maximum of 50 degrees in a counterclockwise direction. can rotate Therefore, if the width and spacing P g of the segment group 61g are designed so that the circumferential angle of the segment arranging unit 66 exceeds 100 degrees from a purely design point of view, excluding the thickness tolerance of the electrode, it is actually manufactured.
  • the electrode assembly JR a condition is established in which the welding line W L and, optionally, the imaginary line W * L extending therefrom intersect with the winding turn arcs corresponding to the segment segments 61g.
  • the current collector can be stably welded on the bent surface area F.
  • the segment groups 61g included in the segment alignment unit 66 rotate at a maximum of 66 degrees in a clockwise direction and at a maximum of 66 degrees in a counterclockwise direction. can rotate Therefore, if the width and separation pitch (P g ) of the segment group 61g are designed so that the circumferential angle of the segment arranging unit 66 exceeds 132 degrees from a purely design point of view, excluding the thickness tolerance of the electrode, actual manufacturing is performed.
  • the current collector can be stably welded on the bent surface area F.
  • the segment groups 61g included in the segment alignment unit 66 rotate at a maximum of 88 degrees in a clockwise direction and at a maximum of 88 degrees in a counterclockwise direction. can rotate Therefore, if the width and spacing P g of the segment group 61g are designed so that the circumferential angle of the segment arranging unit 66 exceeds 176 degrees from a pure design point of view, excluding the thickness tolerance of the electrode, the actual manufacturing process is performed.
  • the electrode assembly JR a condition is established in which the welding line W L and, optionally, the imaginary line W * L extending therefrom intersect with the winding turn arcs corresponding to the segment segments 61g.
  • the current collector can be stably welded on the bent surface area F.
  • the number of segment aligning units 66 may be determined in consideration of a design condition regarding the minimum circumferential angle of the segment arranging units 66 determined by the thickness tolerance of the electrode.
  • the number of segment aligning units 66 is from 1 to 1. It can be determined in 9 ranges.
  • the minimum circumferential angle of the segment aligning units 66 is greater than 68 degrees, so the number of segment aligning units 66 ranges from 1 to 1. It can be determined in five ranges.
  • the minimum circumferential angle of the segment aligning units 66 must be greater than 100 degrees, so the number of segment aligning units 66 ranges from 1 to 1. It can be determined in three ranges.
  • the minimum circumferential angle of the segment aligning units 66 must be greater than 132 degrees, so the number of segment aligning units 66 is one. can be determined in two ranges.
  • the minimum circumferential angle of the segment aligning units 66 must be greater than 176 degrees, so the number of segment aligning units 66 is one. can be determined in two ranges.
  • the electrode tolerance is not limited to the above. Therefore, it is apparent that a person skilled in the art can easily calculate the minimum circumferential angle design condition of the segment aligning unit 66 by determining ⁇ -,max and ⁇ +,max for values other than the electrode tolerances presented in the table. do.
  • Equation 7 the maximum value calculated by Equation 7 below ( ⁇ weld ,max ) is preferably added to the minimum circumferential angle of the segment arranging unit 66.
  • ⁇ weld,max (360°*0.5*d arc )/(2 ⁇ r)
  • d arc is the length of the winding turn arc having the maximum circumferential angle among the winding turn arcs intersecting the welding line (W L ), and r is the radius of the winding turn arc with respect to the center of the core.
  • d arc is the core C among the winding turn arcs intersecting the welding line W L . ) and the length of the winding turn arc closest to it.
  • Table 5 shows the calculation results of ⁇ weld,max according to the change of r when d arc is 1 mm.
  • the electrode assembly JR manufactured according to the embodiment of the present invention includes a segment aligning unit 66 and an electrolyte impregnating unit 55, and the segment aligning unit 66
  • the segment groups 61g included in are rotated in a predetermined direction rather than the design position due to the thickness tolerance of the electrode.
  • the rotation angle of the segment segments 61g is equal to or less than the maximum rotation angle according to the thickness tolerance of the electrode.
  • C 1 to C p corresponding to the center points of the winding turn arcs included in the segment aligning unit 66 of the electrode assembly JR are the welding lines (W L ) corresponds to the circumferential angle of the fan shape formed by the winding arcs when the winding arcs are virtually rotated to be located on the overlapping alignment line (L align ).
  • ⁇ design has an angle value greater than the minimum circumferential angle of the segment aligning unit 66 determined purely from a design point of view in consideration of the thickness tolerance of the electrode.
  • ⁇ max is the maximum rotation angle of the end of the segment group included in the segment aligner 66 with respect to the alignment line L align .
  • ⁇ max corresponds to the rotation angle of the end of the segmental segment group substantially located on the outermost circumferential side.
  • ⁇ weld,max is based on when each segment group 61g included in the segment aligner 66 is maximally rotated so that the ends of the segment groups 61g are positioned on the alignment line L align It is an angle value calculated using Equation 7.
  • the segment 61 included in the segment group 61g can be deformed into various shapes while satisfying at least one of the following conditions.
  • Condition 7 The width increases from the bottom to the top and then remains constant
  • Condition 9 One interior angle of the lower part and the other interior angle are equal
  • the interior angle may be defined as an angle formed by the side of the segment segment based on the width direction of the lower segment segment. If the side is curved, the interior angle is defined as the angle between the tangent drawn at the lowermost point of the curve and the width direction of the lower segment.
  • Condition 10 The interior angles on one side of the lower part are different from the interior angles on the other side
  • One interior angle of the lower part and the other interior angle of the lower part each have an acute angle, a right angle, or an obtuse angle.
  • Condition 13 Asymmetric left and right with respect to the direction of the winding axis
  • the top and/or bottom corner is a structure where a straight line and a curve meet.
  • the top and/or bottom corner is a structure where curves meet.
  • FIG. 9 is a view exemplarily showing the shapes of a segment fragment according to a modified example of the present invention.
  • the segments may have various geometrical shapes having a dotted line connecting the bottoms of the cut grooves on both sides as a base.
  • the geometric figure has a structure in which at least one straight line, at least one curved line, or a combination thereof are connected.
  • the segments may have a polygonal shape, a round shape, or various combinations thereof.
  • the segment segment has a left-right symmetrical trapezoidal shape (a); Right-left asymmetrical trapezoidal shape (b); parallelogram shape (c); triangular shape (l); pentagonal shape (k); circular arc shape (e); Alternatively, it may have an elliptical shape (f).
  • segment shape is not limited to that shown in FIG. 9 , it may be transformed into another polygonal shape, another round shape, or a combination thereof to satisfy at least one or more of conditions 1 to 21 described above.
  • the upper and/or lower corners may be straight-to-straight or round (see enlarged upper and lower corners of shape a).
  • one interior angle ( ⁇ 1 ) and the other interior angle ( ⁇ 2 ) of the lower part may be the same or different, and the lower part
  • One interior angle ⁇ 1 and the other interior angle ⁇ 2 may each be an acute angle, a right angle, or an obtuse angle.
  • An interior angle is the angle where the base and side of a geometric figure meet. When the side edge is curved, the straight line may be replaced by a tangent line extending from the point where the base edge meets the side edge.
  • the shape of the lateral portion of the polygonal segment fragment can be modified in various ways.
  • the side of the segment shape a can be deformed into an outwardly convex curve like shape d or into a curve that is indented into the segment segment like shape g or j.
  • the side of segment shape a can be deformed into a broken straight line indented into the segment segment shape h or i.
  • the side of the segment shape a may be deformed into a straight line convexly bent to the outside.
  • one interior angle ( ⁇ 1 ) and the other interior angle ( ⁇ 2 ) of the lower part may be the same or different, and one interior angle of the lower part (
  • Each of the ⁇ 1 ) and the other interior angle ⁇ 2 may be an acute angle, a right angle, or an obtuse angle.
  • the width of the segment segment may have various patterns of change going from the bottom to the top.
  • the width of the segments may be kept constant going from the bottom to the top (shape c).
  • the width of the segment segment may gradually decrease from bottom to top (shapes a, b, d, e, f and g).
  • the segmental width may gradually decrease and then increase from bottom to top (shapes i and j).
  • the segment width may gradually increase from bottom to top and then decrease (shape k).
  • the width of the segment may gradually decrease from the bottom to the top and then remain constant (shape h).
  • the width of the segment may increase gradually from the bottom to the top and then remain constant.
  • a polygonal shape with a flat top may be rotated 180 degrees.
  • the width of the segment segment may gradually increase from the bottom to the top.
  • the width of the segment segment may be maintained constant while going from the bottom to the top and then gradually increase.
  • a section in which stress is concentrated applies a round shape (eg, a semicircular shape, an ellipse, etc.) that is advantageous for stress distribution, and a section in which the stress is relatively low is a polygonal shape (eg, a rectangle, a trapezoid, or a balanced quadrilateral) having a maximum area. etc.) can be applied.
  • the plurality of segments may have different shapes individually, in groups, or in groups of two or more along one direction parallel to the winding direction of the electrode assembly.
  • the segmental structure of the third portion B2 can also be applied to the first portion B1.
  • the segmental structure when the segmental structure is applied to the first portion B1, when the segmented piece 61 of the third portion B2 is bent according to the radius of curvature of the core, the end portion of the first portion B1 bends toward the outer circumference. Forming (reverse forming) phenomenon may occur. Therefore, the first portion B1 does not have a segmental structure, or even if the segmental structure is applied, the width and/or height and/or spacing pitch of the segmental pieces 61 are set to a level where reverse forming does not occur in consideration of the radius of curvature of the core. It is desirable to adjust it as small as possible.
  • the segment segments (exposed to the upper and lower portions of the electrode assembly JR) constituting the segment alignment unit 66 ( 61) may form a bending surface area F while being overlapped in several layers along the radial direction of the electrode assembly JR.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a cross section of a bent surface area F formed by bending the segment segments 61 included in the segment alignment unit 66 toward the core C of the electrode assembly JR.
  • the cross-sectional structure of the bending surface area F shows the structure when the fragment arranging portion 66 is cut in the radial direction.
  • the bending surface area F is formed by bending the segment pieces 61 whose height is gradually changed from the core side to the outer circumferential side of the electrode assembly JR.
  • FIG. 10 only the left side of the cross section of the bending surface area F is shown relative to the winding axis of the electrode assembly JR.
  • the bending surface area F may be formed on both the upper and lower portions of the electrode assembly JR.
  • the bending surface area F has a structure in which segment segments 61 are overlapped in a plurality of layers in the winding axis direction.
  • the overlapping direction is the winding axis direction (Y).
  • Section 1 is a segment omitted section (first part) without segment segments
  • sections 2 and 3 are sections in which a winding turn containing segment segment groups 61g arranged in the winding direction at intervals between groups is located.
  • Section 2 is a height variable section in which the height of the segment segment 61 is variable
  • section 3 is a height uniform section in which the height of the segment segment is uniformly maintained up to the outer circumference of the electrode assembly.
  • the radial lengths of sections 2 and 3 can be varied.
  • the uncoated portion (second portion) included in at least one winding turn including the outermost winding turn may not include a segmented segment structure. In this case, the second part in section 3 may be excluded.
  • the height variable section in which the height of the segments 61 is variable is r 1 to r N . From the radius r N to the radius R of the electrode assembly JR, the height of the segment segment 61 is uniformly maintained as h N .
  • the uniform height means that the variation in height is within 5%.
  • the number of stacked segments 61 varies depending on the radial position.
  • the number of layers of segment segments 61 is determined by the minimum height (h 1 ) and maximum height (h N ⁇ 1 ) of segment segments in the width of section 2, the height variable section of segment segments 61, and the segment segments 61 It can be varied by the height change width ( ⁇ h) of .
  • the number of stacked segments 61 is the number of segment segments that meet a virtual line when a virtual line is drawn in the direction of the winding axis at an arbitrary radial position of the electrode assembly JR.
  • the height, width (length in the winding direction) and spacing of the segment segments 61 are adjusted according to the radius of the winding turn in which the segment segments 61 are included, so that the segments ( 61) can be optimized according to the required welding strength of the collector plate.
  • the maximum height (h N ⁇ 1 ) of the segment segment 61 varies according to the size of the segment segment 61. How the number of layers changes along the radial direction of the bending surface area F will be described through specific examples.
  • Electrode assemblies of Examples 1-1 to 1-7 were prepared.
  • the electrode assemblies of the embodiments have a radius of 22 mm and a core diameter of 4 mm.
  • the positive and negative electrodes included in the electrode assembly have the electrode structure shown in FIG. 4A.
  • the second portion B3 of the anode and cathode does not include segment segments.
  • the length of the second portion B3 is 2% to 4% of the total length of the electrode.
  • the positive electrode, the negative electrode, and the separator were wound by the method described with reference to FIG. 2 .
  • the winding turn is between 48 and 56 turns, and the winding turn of the embodiments is 51 turns.
  • the thicknesses of the anode, cathode, and separator are 149um, 193um, and 13um, respectively.
  • the thickness of the positive electrode and the negative electrode is the thickness including the thickness of the active material layer.
  • the thicknesses of the positive and negative current collectors are 15um and 10um, respectively.
  • the winding direction lengths of the positive and negative electrodes are 3948 mm and 4045 mm, respectively.
  • the minimum height of the segmental segment 61 was set to 3mm so that the height variable section (2) of the segmental segment 61 starts from a radius of 5mm.
  • the height of the segmental segment 61 was increased by 1 mm per 1mm increase in radius, and the maximum height of the segmental segment 61 was varied from 4mm to 10mm.
  • the height variable section (2) of the segment 61 is 5 mm to 6 mm, and the height of the segment 61 is variable from 3 mm to 4 mm in radius.
  • the height variable section (2) of the segmental segment 61 is 5mm to 7mm, and the height of the segmental segment 61 is variable from 3mm to 5mm.
  • the height variable section (2) of the segmental segment 61 is 5mm to 8mm, and the height of the segmental segment 61 is variable from 3mm to 6mm.
  • the height variable section (2) of the segmental segment 61 is 5mm to 9mm, and the height of the segmental segment 61 is variable from 3mm to 7mm.
  • the height variable section (2) of the segment 61 is 5 mm to 10 mm, and the height of the segment 61 is variable from 3 mm to 8 mm.
  • the height variable section (2) of the segment 61 is 5 mm to 11 mm, and the height of the segment 61 is variable from 3 mm to 9 mm.
  • the height variable section (2) of the segmental segment 61 is 5mm to 12mm, and the height of the segmental segment 61 is variable from 3mm to 10mm.
  • the height of the segments 61 is uniform from the radius corresponding to the upper limit of the height variable section 2 to the outer periphery.
  • the height of the segments 61 from 12 mm to 22 mm in radius is uniform at 10 mm. Meanwhile, in the electrode assembly of Comparative Example, the height of the segments 61 was maintained at a single height of 3 mm from a radius of 5 mm to a radius of 22 mm.
  • FIGS. 11A are graphs showing the results of counting the number of stacked segments along the radial direction in the bending surface area F of the anode formed on the electrode assemblies according to Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Example.
  • the bending surface area F is formed by bending the segment segments 61 included in the segment alignment unit 66 toward the core of the electrode assembly JR.
  • the bending surface area of the cathode also shows substantially the same result.
  • the horizontal axis of the graph is the radius based on the center of the core, and the vertical axis of the graph is the number of stacked segments counted at each radial point.
  • a uniform section (b1) in the number of stacked segments of segments is commonly shown in Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Example 1.
  • the section of uniform number of layers (b1) is the radius section of the flat area in each graph.
  • the length of the section for uniform number of layers (b1) increases as the maximum height of the segment decreases, and the section for uniform number of layers (b1') of Comparative Example is the longest.
  • the number of stacked segments increases as the maximum height (h N ) of segment segments increases. That is, when the maximum height (h N ) of the segment segment increases and the width of the variable height section (2) of the segment segment increases, the number of stacked segment segments increases, whereas the width of the uniform number of stacked segment b1 decreases.
  • the section in which the number of stacked segments decreases is a radial section in which the number of stacked segments decreases as the radius of the electrode assembly increases.
  • the period of uniform number of layers (b1) and the period of decreasing number of layers (b2) are adjacent to each other in the radial direction and are complementary to each other. That is, as the length of one section increases, the length of the other section decreases.
  • the amount of decrease in the number of layers in the section for decreasing the number of layers (b2) is proportional to the distance away from the section for uniform number of layers (b1).
  • Examples 1-1 to 1-7 have 10 or more stacked segments in the section (b1) where the number of stacked segments is uniform.
  • a region in which the number of stacked segments is 10 or more can be set as a desirable welding target region.
  • the welding target region is a section to which at least a part of the current collector plate can be welded.
  • the section b1 with the uniform number of layers starts from the radial point at which the height variable section 2 starts. That is, the height variable section 2 starts from a radius of 5 mm and extends toward the outer circumference.
  • Table 6 below shows, in Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Example 1, with respect to the positive electrode, the length ratio of the segment omitted section (c) to the radius (b-a) of the electrode assembly excluding the core, stacking
  • the length ratio (e/f) of the uniform number of layers section (b1) to the length (f) from the radial point (5mm) where the uniform number section starts to the outermost point (22mm) of the electrode assembly, the uniform section of the number of layers starts The length ratio (d/f) of the height variable section (d) of the segment segment to the length (f) from the radius point (5 mm) to the outermost point (22 mm) of the electrode assembly, and the segment segment omission section compared to the total length of the electrode
  • the length ratio (h) of the corresponding electrode area, the length ratio (i) of the electrode area corresponding to the height variable section to the total length of the electrode, the ratio (i) of the electrode area to the total length of the electrode corresponding to the height uniform section, etc. shows the
  • the rest of the parameters are substantially the same as the positive electrode, except that the negative electrode exhibits a difference of 0.1 to 1.2% for parameter h.
  • the sum of the proportions h, i and j is slightly different from 100%.
  • the reason is that there is a section without segment segments in the second portion B3 corresponding to the uncoated portion on the core side of the electrode.
  • no segments are present in the second portion B3 corresponding to approximately 3% of the total length of the electrode.
  • a to f are parameters based on the length in the radial direction
  • h, i, and j are parameters based on the length in the winding direction of the electrode.
  • the parameters corresponding to the ratio (%) are values rounded to one decimal place.
  • Example 1-1 2 22 3 One 14 17 11 15% 6% 82% 6% 3% 87%
  • the number of stacked segment pieces is 11 to 27, and the ratio (d/f) of the variable height section (d) to the radius section (f) including the segment fragments is 6% to 41%.
  • the ratio (e/f) of the section (e) with the uniform number of stacks to the section (f) containing the segmental radius is 47% to 82%.
  • the ratio (c/(b-a)) of the segment omitted section (c) to the radius (b-a) of the electrode assembly excluding the core is 15%.
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the segment omission section to the total length of the electrode is 6%
  • the length ratio of the electrode region corresponding to the height variable section to the total length of the electrode is 3% to 32%
  • the total length of the electrode is 3% to 32%.
  • the length ratio of the electrode area corresponding to the length-to-height uniform section is 59% to 87%.
  • the number of layers (g) in the uniform section is 10 or more in Examples 1-1 to 1-7.
  • the section for the uniform number of layers (e) decreases as the section (d) for varying heights of the segment segment increases, but the number of layers (g) for the segment segment increases in the section for the uniform number of layers (e).
  • a section (e) having a uniform number of stacks in which the number of stacked segments (g) is 10 or more may be set as a welding target area.
  • a cylindrical battery with a form factor of 1865 or 2170 has an electrode assembly radius of approximately 9 mm to 10 mm. Therefore, for the conventional cylindrical battery, as in Examples 1-1 to 1-7, the radial length of the segment section (f) cannot be secured at a level of 17 mm, and the number of stacked segments is uniform in which the number of stacked segments is 10 or more. The length of (e) cannot be secured at the level of 8 mm to 14 mm. This is because, in a conventional cylindrical battery, when the radius of the core is designed to be 2 mm, which is the same as in Examples 1-1 to 1-7, the radius section in which segments can be placed is substantially only 7 mm to 8 mm.
  • the length of the electrode in the winding direction is about 600 mm to 980 mm.
  • This short electrode length is only about 15% to 24% of the length of the electrodes used in Examples 1-1 to 1-7 (anode 3948 mm, cathode 4045 mm). Therefore, the numerical ranges for the parameters h, i and j cannot be easily derived from design specifications of conventional cylindrical batteries.
  • the electrode assemblies of Examples 2-1 to 2-5 had a radius of 22 mm and a diameter of the core (C) of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same as 4 mm, and the maximum height (h- N ) was varied from 6 mm to 10 mm in increments of 1 mm. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 2-1 to 2-5, the widths of the segment height variable section (Fig. 10 2) are 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, and 6 mm, respectively, and the segment omitted section (Fig. 10 1) ) is a radius section from 2 mm to 6 mm.
  • the electrode assemblies of Examples 3-1 to 3-4 had a radius of 22 mm and a diameter of the core (C) of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same as 5 mm, and the maximum height (h- N ) was varied from 7 mm to 10 mm in increments of 1 mm. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 3-1 to 3-4, the widths of the segment height variable section (Fig. 10 2) are 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively, and the segment omitted section (Fig. 10 1) It is a radius section from 2mm to 7mm.
  • the electrode assemblies of Examples 4-1 to 4-3 had a radius of 22 mm and a diameter of the core (C) of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same as 6 mm, and the maximum height (h- N ) was varied from 8 mm to 10 mm in increments of 1 mm. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 4-1 to 4-3, the widths of the variable height sections (2 in FIG. 10) are 2 mm, 3 mm, and 4 mm, respectively, and the segment omitted section (1 in FIG. 10) has a radius of 2 mm. It is a radius section from to 8 mm.
  • the electrode assemblies of Examples 5-1 to 5-2 had a radius of 22 mm and a diameter of the core (C) of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same as 7 mm, and the maximum height (h- N ) was varied from 9 mm to 10 mm in increments of 1 mm. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 5-1 to 5-2, the widths of the segment height variable section (Fig. 10 2) are 2 mm and 3 mm, respectively, and the segment omitted section (Fig. 10 1) has a radius of 2 mm to 9 mm. is the radius section up to
  • 11B is a top view of the electrode assemblies for Examples 2-1 to 2-5, Examples 3-1 to 3-4, Examples 4-1 to 4-3, and Examples 5-1 to 5-2. These are graphs showing the results of counting the number of stacked segments measured along the radial direction in the bending surface area (F) of the anode formed in . The bending surface area of the cathode also shows substantially the same result.
  • graph (a) is for Examples 2-1 to 2-5
  • graph (b) is for Examples 3-1 to 3-4
  • graph (c) is for Examples 4-1 to 4
  • graph (d) shows the result of counting the number of stacked segments along the radial direction in the bending surface area (F) for Examples 5-1 to 5-2.
  • a uniform section b1 in the number of stacked segments is commonly shown in all embodiments.
  • the section of uniform number of layers (b1) is the radius section of the flat area in the graph.
  • the length of the uniform number of stacking section (b1) increases as the maximum height (h N ) of the segment segment decreases when the minimum height (h 1 ) of the segment segment is the same.
  • the length of the uniform number of stacked sections (b1) increases as the minimum height (h 1 ) of the segment segment decreases when the maximum height (h N ) of the segment segment is the same.
  • the number of stacked segments increases as the maximum height (h N ) of segment segments increases.
  • a section b2 for decreasing the number of laminates appears adjacent to the section b1 for the uniform number of laminates.
  • all of the stacked segments of segment segments are 10 or more in the uniform stacked number section b1.
  • a region in which the number of stacked segments is 10 or more can be set as a desirable welding target region.
  • the section b1 with the uniform number of stacks starts from the radial point where the height variable section (2 in FIG. 10) starts.
  • the variable height section (2 in FIG. 10) of the segment starts from 6 mm and extends toward the outer circumference.
  • the variable height section (2 in FIG. 10) of the segment starts from 7 mm and extends toward the outer circumference.
  • the variable height section (2 in FIG. 10) of the segments starts from 8 mm and extends toward the outer circumference.
  • the variable height section (2 in FIG. 10) of the segments starts from 9 mm and extends toward the outer circumference.
  • Table 7 shows the stacking of Examples 2-1 to 2-5, Examples 3-1 to 3-4, Examples 4-1 to 4-3, and Examples 5-1 to 5-2.
  • Various parameters, including the length ratio (d/f) of the segment height variable section (2) to the length from the radial point (6mm, 7mm, 8mm, 9mm) to the outermost point (22mm) of the electrode assembly, etc. show the result.
  • (h N ) is the same as 10 mm, but the minimum segment height (h 1 ) increases by 1 mm at 4 mm, 5 mm, 6 mm, and 7 mm, and the length of the variable height section (2) is 6 mm, 5 mm, 4 mm, and 3 mm by 1 mm. Decrease.
  • the ratio (e/f) of the uniform number of stacked sections is the largest at 69% in Example 2-5 and the smallest at 31% in Example 5-1, and the number of layers in the uniform number of stacked sections.
  • the number of stacked segment segments is 16 to 27, the ratio (d/f) of the variable height section (2) of the segment segment ranges from 13% to 38%, and the ratio (e/f) of the section with a uniform number of stacks It can be seen that is 31% to 69%.
  • the ratio (c/(b-a)) of the segment omitted section (c) to the radius (b-a) of the electrode assembly excluding the core is 20% to 35%.
  • the length ratio of the electrode region corresponding to the segment omission section to the total length of the electrode is 10% to 20%
  • the length ratio of the electrode region corresponding to the height variable section to the total length of the electrode is 6% to 25%
  • the ratio of the total length of the electrode to the length of the electrode area corresponding to the uniform height section is 62% to 81%.
  • a cylindrical battery with a form factor of 1865 or 2170 has an electrode assembly radius of approximately 9 mm to 10 mm. Therefore, as in the embodiments, the radial length of the segment section (f) cannot be secured at a level of 13 mm to 16 mm, and the length of the segment omission section (c) is secured at about 4 mm to 7 mm while the number of stacked segments is simultaneously increased. It is not possible to secure the length of the uniform number of stacked section (e) of 10 or more at a level of 5 mm to 11 mm. This is because, in a conventional cylindrical battery, when the radius of the core is designed to be 2 mm, which is the same as in the embodiments, the radius section in which segments can be placed is substantially only 7 mm to 8 mm.
  • the length of the electrode in the winding direction is about 600 mm to 980 mm.
  • This short electrode length is only about 15% to 24% of the length of the electrodes (anode 3948 mm, cathode 4045 mm) in the embodiments. Therefore, the numerical ranges for the parameters h, i and j cannot be easily derived from design specifications of conventional cylindrical batteries.
  • the minimum height (h 1 ) and the maximum height (h N ) of the segment segment are the same in the height variable section (2 in FIG. 10 ) of the segment segment, the number of stacked segments according to the diameter of the core (C) of the electrode assembly is the bending surface. How it changes along the radial direction of the area F will be described through specific examples.
  • the electrode assemblies of Examples 6-1 to 6-6 had a radius of 22 mm, and the radius of the core (C) was 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) of the segment segment is the same as 3 mm, and the maximum height (h- N ) of the segment segment is varied from 5 mm to 10 mm in increments of 1 mm. . Therefore, in the electrode assemblies of Examples 6-1 to 6-6, the widths of the segment height variable section (2 in FIG. 10) are 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, and 7 mm, respectively, and the segment omitted section (FIG. 10 1) of is the radius range from 4 mm to 7 mm.
  • the electrode assemblies of Examples 7-1 to 7-6 had a radius of 22 mm, and the radius of the core (C) was 2 mm.
  • the minimum height (h 1 ) of the segment segment is the same as 3 mm, and the maximum height (h- N ) of the segment segment is varied from 5 mm to 10 mm in increments of 1 mm. . Therefore, in the electrode assemblies of Examples 7-1 to 7-6, the widths of the variable segment height sections (2 in FIG. 10) are 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, and 7 mm, respectively, and the segment omitted section (1) is the radius range from 2 mm to 5 mm, all of which are the same.
  • 11C shows the number of stacked segments measured along the radial direction in the bending surface area (F) of the anode formed on the top of the electrode assembly for Examples 6-1 to 6-6 and Examples 7-1 to 7-6. These are graphs showing counted results. Substantially the same results are obtained in the bent surface area of the cathode.
  • graph (a) is for Examples 6-1 to 6-6
  • graph (b) is for Examples 7-1 to 7-6, measured along the radial direction in the bending surface area (F). The result of counting the number of layers of one segment is shown.
  • a section (b1) of a uniform number of stacked segments is commonly shown in all embodiments.
  • the section of uniform number of layers (b1) is the radius section of the flat area in the graph.
  • the radial length of the section with uniform number of stacks (b1) increases as the maximum height (h N ) of the segment segment decreases when the minimum height (h 1 ) of the segment segment is the same.
  • the number of stacked segments increases as the maximum height (h N ) of segment segments increases.
  • a stack number reduction period b2 is confirmed adjacent to the stack number uniformity period b1.
  • all of the stacked segments of segment segments are 10 or more in the uniform stacked number section b1.
  • a region in which the number of stacked segments is 10 or more can be set as a desirable welding target region.
  • the section b1 with the uniform number of stacks starts from the radial point where the height variable section (2 in FIG. 10) starts.
  • the starting radius of the variable height section (2 in FIG. 10) is 7 mm
  • the variable height section (Fig. 10) The radius where 2) starts is 5 mm.
  • Table 8 shows, for Examples 6-1 to 6-6 and Examples 7-1 to 7-6, the outermost point (22 mm) of the electrode assembly from the radial point (7 mm, 5 mm) at which the uniform number of stacking section starts. ), the ratio of the length of the section with uniform number of layers to the length (e/f), the height of the segment compared to the length from the radial point (7mm, 5mm) where the section with uniform number of layers starts to the outermost point of the electrode assembly (22mm) is variable It shows the calculation results of various parameters including the length ratio (d/f) of the section (2).
  • the minimum height (h 1 ) and maximum height (h N ) of the segment segment in the height variable section (2) of the segment segment are 3 mm and 10 mm, respectively. is the same as However, in Example 6-6, the radius of the core is 2 mm larger than in Example 7-6. Therefore, in Example 6-6, the section for the uniform number of layers (e) and the section for segments (f) are 2 mm smaller than those of Example 7-6, and the number of stacked segments is the same in the section for the uniform number of layers. This result is due to the difference in the radii of the cores.
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the segment omitted section to the total length of the electrode is 6%
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the height variable section to the total length of the electrode is 7% to 32%
  • the total length of the electrode is 7% to 32%.
  • the length ratio of the electrode region corresponding to the length-to-height uniformity range is 59% to 83%.
  • a cylindrical battery with a form factor of 1865 or 2170 has an electrode assembly radius of approximately 9 mm to 10 mm. Therefore, as in the examples, the radial length of the fragment section (f) is not secured at the level of 15 mm to 17 mm, and the length of the segment omission section (c) is secured at about 3 mm, and at the same time, the number of stacked sections is 10 or more. The length of the number uniform section (e) cannot be secured at a level of 6 mm to 13 mm. This is because, in a conventional cylindrical battery, when the radius of the core is designed to be 2 mm to 4 mm, the same as in the embodiments, the radius section in which segments can be placed is substantially only 5 mm to 8 mm.
  • the length of the electrode in the winding direction is about 600 mm to 980 mm.
  • This short electrode length is only about 15% to 24% of the length of the electrodes (anode 3948 mm, cathode 4045 mm) in the embodiments. Therefore, the numerical ranges for the parameters h, i and j cannot be easily derived from design specifications of conventional cylindrical batteries.
  • the number of stacked segments may be 11 to 27 in the section where the number of stacked segments is uniform.
  • the ratio (d/f) of the height variable section (2) of the segment segment may be 6% to 47%.
  • the ratio (e/f) of the uniform number of layers may be 31% to 82%.
  • the ratio (c/(b-a)) of the length of the segment omitting section to the radius of the electrode assembly excluding the core may be 15% to 35%.
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the segment skip section to the total length of the electrode (length in the winding direction) may be 6% to 20%.
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the height variable section of the segment to the total length of the electrode may be 3% to 32%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height uniform section of the segment to the total length of the electrode may be 59% to 87%.
  • the parameters described through Tables 6 to 8 are the radius of the core (a); the radius of the electrode assembly (b); Minimum height (h 1 ) and maximum height (h N ) in the height-variable section of the segment; Width of height change of the segment segment per 1 mm increase in radius ( ⁇ h); It can be varied according to design factors including the thickness of an anode, a cathode, and a separator.
  • the number of stacked segments may be extended from 10 to 35.
  • the ratio (d/f) of the segment height variable section 1 may be extended from 1% to 50%.
  • the ratio (e/f) of the uniform number of stacked sections may be expanded from 30% to 85%.
  • the ratio (c/(b ⁇ a)) of the length of the segment omitting section to the radius of the electrode assembly excluding the core may be extended to 10% to 40%.
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the segment skip section to the total length of the electrode (length in the winding direction) may be extended to 1% to 30%.
  • the ratio of the length of the electrode region corresponding to the height variable section of the segment to the total length of the electrode may be extended to 1% to 40%. In addition, the ratio of the length of the electrode region corresponding to the height uniform section of the segment to the total length of the electrode may be extended to 50% to 90%.
  • a section having a uniform number of layers may be used as a welding target area of the current collector plate.
  • the welding area of the current collecting plate overlaps at least 50% or more with the uniform number of stacked sections in the radial direction of the electrode assembly, and the higher the overlapping ratio, the more preferable it is.
  • the rest of the current collector plate welding area that does not overlap with the uniform number of laminated area may overlap with the reduced number of laminated area adjacent to the uniform number of laminated area in the radial direction.
  • the rest of the welding region of the current collector plate that does not overlap with the section with the uniform number of layers may overlap with the region in which the overlapping number of segment segments is 10 or more in the section with the reduced number of layers.
  • Welding the current collector plate in the area where the number of stacked segments is 10 or more is preferable in terms of welding strength and preventing damage to the separator or active material layer during welding. In particular, it is useful when welding a current collector plate using a high-power laser having high transmission characteristics.
  • the section with the uniform number of stacks and the current collector plate are welded with a laser, even if the output of the laser is increased to improve the welding quality, the section with the uniform number of layers absorbs most of the energy of the laser to form welding beads. It is possible to prevent a phenomenon in which the separator and the active material layer under the bent surface area F are damaged by the laser.
  • welding beads are formed with sufficient volume and thickness. Therefore, sufficient welding strength can be secured and the resistance of the welding interface can be reduced to a level suitable for rapid charging.
  • the output of the laser may be determined by a desired welding strength between the bent surface area F and the current collector plate.
  • Welding strength increases in proportion to the number of stacked segments. This is because the volume of the welding bead formed by the laser increases as the number of layers increases.
  • the welding beads are formed by melting together the material of the current collector plate and the material of the segments. Therefore, when the volume of the welding bead is large, the bond between the current collecting plate and the bent surface area is stronger and the contact resistance of the welding interface is lowered.
  • the welding strength may be 2 kgf/cm 2 or more, more preferably 4 kgf/cm 2 or more.
  • the welding strength may be preferably set to 8 kgf/cm 2 or less, more preferably 6 kgf/cm 2 or less.
  • the physical properties of the welding interface are not deteriorated even if severe vibration is applied to the electrode assembly along the winding axial direction and/or the radial direction, and the volume of the welding bead is sufficient to increase the resistance of the welding interface. can reduce
  • the power of the laser to meet the welding strength condition varies depending on the laser equipment, and can be appropriately adjusted in the range of 250W to 320W or in the range of 40% to 90% of the maximum laser power specification provided by the equipment.
  • the welding strength may be defined as a tensile force per unit area of the current collector plate (kgf/cm 2 ) when the current collector plate starts to separate from the bending surface area F. Specifically, after the welding of the current collector plate is completed, a tensile force may be applied to the current collector plate, but the size thereof may be gradually increased. When the tensile force exceeds a critical value, the segment starts to separate from the weld interface. At this time, a value obtained by dividing the tensile force applied to the current collector by the area of the current collector corresponds to the welding strength.
  • segment segments are stacked in a plurality of layers, and according to the above-described embodiments, the number of segment segments stacked may increase from a minimum of 10 sheets to a maximum of 35 sheets.
  • the thickness of the cathode current collector is 10 um to 25 um, and the thickness of the anode current collector may be selected from the range of 5 um to 20 um. Accordingly, the total stacking thickness of the segments in the bending surface area F of the anode may include a region ranging from 100 um to 875 um. In addition, the bending surface area (F) of the negative electrode may include a region in which the total laminated thickness of the segments is 50 um to 700 um.
  • FIG. 12 shows a section with a uniform number of layers (b1) and a section with a reduced number of layers (b2) in the bending surface area (F) formed by the segment pieces 61 included in the segment piece arranging unit 66 according to an embodiment of the present invention.
  • ) is a top plan view of the electrode assembly showing.
  • the bending surface area F of the segment segment 61 is formed by bending the segment segment 61 included in the segment segment arranging unit 66 toward the core C of the electrode assembly JR. .
  • the area between two circles indicated by the dashed-dotted line corresponds to the section 61 with a uniform number of layers of 10 or more, and the area outside the uniform number of layers section b1 corresponds to the number of layers It corresponds to the reduction period (b2).
  • the welding pattern on the surface of the current collector plate P c arises.
  • the welding pattern W p may be an array of line patterns or dot patterns.
  • the welding pattern (W p ) corresponds to the welding area, and may overlap more than 50% with the section (b1) of the uniform number of stacked segments along the radial direction. Therefore, a part of the welding pattern W p is included in the section with a uniform number of layers (b1), and the rest of the welding pattern W p is included in a section with a reduced number of layers outside the section with a uniform number of layers (b1). can Of course, the entire welding pattern (W p ) may overlap with the uniform number of stacked section (b1).
  • an edge of a portion where the current collector plate P c contacts the bent surface area F may cover an end of the segment piece 61 bent toward the core C in the last winding turn.
  • the welding pattern W p is formed in a state in which the segments 61 are pressed by the current collector plate P c , so that the current collector plate P c and the bent surface area F are strongly coupled.
  • the segment segments 45 stacked in the direction of the winding axis come into close contact with each other, the resistance at the welding interface is lowered and lifting of the segments 61 can be prevented.
  • the bending direction of the segment fragment may be opposite to that described above. That is, the segment piece can be bent from the core side to the outer circumferential side.
  • the pattern in which the heights of the segment segments 61 included in the segment segment groups 61g change along the winding direction (X-axis) direction may be opposite to those of the above-described embodiments (variations).
  • the height of the segments 61 may gradually decrease from the core toward the outer circumference.
  • the structure applied to the first portion B1 and the structure applied to the second portion B3 may be switched with each other.
  • the height of the segment segment 61 is gradually decreased from the core side toward the outer circumference, and when the segment segment 61 closest to the outer circumference of the electrode assembly is bent toward the outer circumference, the end of the segment segment 61 is the electrode assembly.
  • the height change pattern of the segment segment may be designed so that it does not protrude outside the outer periphery of the segment.
  • the electrode structure of the above-described embodiments (modifications) may be applied to at least one of the first electrode and the second electrode having different polarities included in the jelly roll type electrode assembly.
  • a conventional electrode structure may be applied to the other one.
  • electrode structures applied to the first electrode and the second electrode may not be identical to each other and may be different.
  • any one of the embodiments is applied to the first electrode and a conventional electrode structure (see FIG. 1) is applied to the second electrode.
  • a conventional electrode structure see FIG. 1
  • any one of the embodiments (variations) is selectively applied to the first electrode and the embodiments (variations) are selectively applied to the second electrode. Any one of them may be selectively applied.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode and the negative electrode active material coated on the negative electrode may be used without limitation as long as they are known in the art.
  • the cathode active material has the general formula A (A x M y ) O 2+z (A includes at least one element of Li, Na and K; M is Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, including at least one element selected from Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x+y ⁇ 2, - 0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients x, y and z are chosen such that the compound remains electrically neutral).
  • the cathode active material is an alkali metal compound disclosed in US6,677,082, US6,680,143, etc. xLiM1O 2 - (1-x)Li 2 M2O 3 (M1 includes at least one element having an average oxidation state of 3; M2 is an average oxidation state of at least one element). It may contain at least one element having an oxidation state of 4; 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the cathode active material has the general formula Li a M1 x Fe 1 - x M2 y P 1 - y M3 z O 4 -z
  • M1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Includes at least one element selected from Ni, Nd, Al, Mg, and Al
  • M2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Contains at least one element selected from Si, Ge, V and S
  • M3 contains a halogen group element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients a, x, y and z are chosen such that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 [M is Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr ,
  • the cathode active material may include primary particles and/or secondary particles in which the primary particles are aggregated.
  • the negative electrode active material may use a carbon material, lithium metal or a lithium metal compound, silicon or a silicon compound, tin or a tin compound, or the like.
  • Metal oxides such as TiO 2 and SnO 2 having a potential of less than 2 V can also be used as an anode active material.
  • the carbon material both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used.
  • the separator is a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. Alternatively, they may be laminated and used. As another example, the separator may use a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, or the like.
  • At least one surface of the separator may include a coating layer of inorganic particles. It is also possible that the separation membrane itself is made of a coating layer of inorganic particles. Particles constituting the coating layer may have a structure combined with a binder so that an interstitial volume exists between adjacent particles.
  • the inorganic particles may be made of an inorganic material having a dielectric constant of 5 or more.
  • the inorganic particles are Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 - PbTiO 3 (PMN-PT), BaTiO 3 , hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO and Y 2 O 3 It may include at least one or more materials selected from the group consisting of.
  • 13 is a Y-axis cutting the jelly roll type electrode assembly 100 to which the electrode 60 of the embodiment is applied to the first electrode (anode) and the second electrode (cathode) so as to pass through the segment aligning unit 66. It is a cross-sectional view along the winding axis direction.
  • the uncoated portion 43a of the first electrode includes a first portion B1 adjacent to the core of the electrode assembly 100, a second portion B3 adjacent to the outer circumferential surface of the electrode assembly 100, and a third portion B2 interposed between the first portion B1 and the second portion B3.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 is relatively smaller than the heights of the segments 61 .
  • the bending length of the innermost segment 61 in the third portion B2 is equal to or smaller than the radial length R of the first portion B1.
  • the bending length H corresponds to a distance from a point where the innermost segment 61 is bent to an upper end of the segment 61 .
  • the bending length H may be smaller than the sum of the radial length R of the winding turn formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 102 .
  • the core 102 is a cavity at the center of the electrode assembly 100 . If the core 102 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved.
  • a welding jig through the core 102, a welding process between the negative electrode (or positive electrode) side current collector plate and the battery housing (or rivet terminal) can be easily performed.
  • the height of the uncoated portion of the second portion B3 is relatively smaller than the height of the segmental piece 61 . Therefore, when the beading part of the battery housing is pressed near the winding turn of the second portion B3, the beading part and the upper edge of the electrode assembly 100 contact each other to prevent an internal short circuit from occurring.
  • the second portion B3 may include segment segments 61 forming the segment arranging portion 66, and the height of the segment segments 61 of the second portion B3 is shown in FIG. 13 . It may decrease gradually or step by step.
  • the heights of the segment segments 61 of the segment segment arranging unit 66 are the same for a portion on the outer circumferential side.
  • the height of the segment 61 of the segment arranging unit 66 gradually increases from the boundary between the first part B1 and the third part B2 to the boundary between the third part B2 and the second part B3. can be increased step by step.
  • the range in which the height of the segment 61 is changed corresponds to the segment height variable range (2 in FIG. 10).
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • End portions 101 of the segment segments 61 included in the segment aligning unit 66 may be bent in a radial direction of the electrode assembly 100, for example, from the outer circumferential side to the core side. At this time, the non-coated portions of the first part B1 and the second part B3 are not substantially bent.
  • the fragment arranging portion 66 includes a plurality of fragment fragments 61 arranged in the radial direction, the bending stress is relieved to prevent tearing or abnormal deformation of the uncoated portions 43a and 43b near the bending point.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of the segments 61 are adjusted according to the numerical range of the above-described embodiment, the segment segments 61 are bent toward the core to the extent that welding strength can be sufficiently secured. It is overlapped in several layers and does not form an empty hole (gap) in the bending surface area (F).
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the electrode assembly 110 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction (winding axis direction) so as to pass through the segment arranging unit 66 .
  • the electrode assembly 110 compared to the electrode assembly 100 of FIG. 13, also includes the segment segments 61 forming segment alignment units 66 in the second portion B3, and the second portion B3 also includes the second portion B3.
  • the rest of the configuration is substantially the same except that the height of the segment segment 61 of the portion B3 is substantially the same as the height of the outermost segment segment 61 of the third portion B2.
  • the height of the non-coated portion of the first portion B1 is relatively smaller than the height of the segments 61 included in the segment aligning unit 66.
  • the bending length H of the innermost segment fragment 61 in the segment arranging unit 66 is equal to or smaller than the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1.
  • the winding turns formed by the first portion B1 may be a segment segment omitted section (1 in FIG. 10) without a segment segment.
  • the bending length H may be smaller than the sum of the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 112 .
  • the structure in which the height of the segment 61 included in the segment arranging unit 66 gradually or stepwise increases from the core side toward the outer circumferential side is formed by the second portion B3 It can be extended to winding turns.
  • the heights of the segments 61 included in the segment arranging unit 66 are gradually or stepwise from the boundary between the first part B1 and the third part B2 to the outermost surface of the electrode assembly 110. can increase to
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • End portions 111 of the segment segments 61 included in the segment alignment unit 66 may be bent in a radial direction of the electrode assembly 110, for example, from the outer circumferential side to the core side. At this time, the uncoated portion of the first portion B1 is not substantially bent.
  • the fragment arranging portion 66 includes a plurality of fragment fragments 61 arranged in the radial direction, the bending stress is relieved to prevent tearing or abnormal deformation of the uncoated portions 43a and 43b near the bending point.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of the segments 61 are adjusted according to the numerical range of the above-described embodiment, the segment segments 61 are bent toward the core to the extent that welding strength can be sufficiently secured. It is overlapped in several layers and does not form voids (gaps) in the bending surface area.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the electrode assembly 120 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction (winding axis direction) so as to pass through the segment arranging unit 66 .
  • the heights of the segments 61 included in the segment arranging unit 66 gradually or gradually increase and then decrease. The only difference is that they have a pattern, and the rest of the configuration is substantially the same.
  • the radius section in which the heights of the segment segments 61 change may be regarded as a variable height segment (2 in FIG. 10 ).
  • the variable height section of the segment pieces 61 is a section with a uniform number of layers in which the number of layers of the segment pieces 61 is 10 or more in the bending surface area F formed as the segment pieces 61 are bent. It can be designed to appear as a numerical range.
  • the height of the non-coated portion of the first portion B1 is relatively smaller than the heights of the segments 61.
  • the bending length H of the segment 61 closest to the core 122 is equal to or smaller than the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1.
  • the section corresponding to the winding turns formed by the first portion B1 corresponds to the segment segment omission section (1 in FIG. 10) without segment segments.
  • the bending length H may be smaller than the sum of the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 102 .
  • the core 122 of the electrode assembly 120 is open to the outside by 90% or more of its diameter. If the core 122 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. In addition, by inserting a welding jig through the core 122, a welding process between the current collector plate on the negative (or positive) side and the battery housing (or rivet terminal) can be easily performed.
  • the height of the uncoated portion of the second portion B3 is relatively smaller than the heights of the segments 61, and preferably, the segment segments 61 may not be formed in the second portion B3. Therefore, when the beading part of the battery housing is pressed near the winding turns formed by the second portion B3, the beading part and the end edge of the electrode assembly 120 come into contact with each other, thereby preventing an internal short circuit from occurring.
  • the second portion B3 may include segments forming the segment alignment portion 66, and the segment height of the second portion B3 gradually or stepwise decreases toward the outer circumference. can do.
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modified examples).
  • End portions 121 of the segment segments 61 included in the segment alignment unit 66 may be bent from the outer circumferential side of the electrode assembly 120 to the core side. At this time, the non-coated portions of the first part B1 and the second part B3 are not substantially bent.
  • the segmental segment arranging unit 66 includes a plurality of segmental segments 61 arranged in the radial direction, the bending stress is alleviated, and tearing or abnormal deformation of the uncoated portions 43a and 43b can be prevented.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of the segments 61 are adjusted according to the numerical range of the above-described embodiment, the segment segments 61 are bent toward the core to the extent that welding strength can be sufficiently secured. It is overlapped in several layers and does not form an empty hole (gap) in the bending surface area (F).
  • 16 is a cross-sectional view of the electrode assembly 130 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction (winding axis direction) so as to pass through the segment arranging unit 66 .
  • the electrode assembly 130 includes segment segments 61 forming segment alignment parts 66 in the second part B3 compared to the electrode assembly 120 of FIG. 15 , and
  • the height of the segment 61 is different in that it has a pattern in which the height of the segment 61 gradually or gradually decreases from the boundary point between the second portion B3 and the third portion B2 toward the outermost surface of the electrode assembly 130, and the rest The configuration is substantially the same.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 is relatively smaller than the heights of the segments 61.
  • the bending length H of the segment 61 closest to the core 132 is equal to or smaller than the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1.
  • the winding turns formed by the first part B1 correspond to a segment segment omission section (1 in FIG. 10) without segment segments.
  • the bending length H may be smaller than the sum of the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 102 .
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • End portions 131 of the segment segments 61 included in the segment alignment unit 66 may be bent from the outer circumferential side of the electrode assembly 130 to the core side. At this time, the uncoated portion of the first portion B1 is not substantially bent.
  • the fragment arranging portion 66 includes a plurality of fragment fragments 61 arranged in the radial direction, the bending stress is relieved to prevent tearing or abnormal deformation of the uncoated portions 43a and 43b near the bending point.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of the segments 61 are adjusted according to the numerical range of the above-described embodiment, the segment segments 61 are bent toward the core to the extent that welding strength can be sufficiently secured. It is overlapped in several layers and does not form an empty hole (gap) in the bending surface area (F).
  • ends of the segment segments 61 included in the segment alignment unit 66 may be bent from the core side to the outer circumference side.
  • the winding turns formed by the second part B3 are designed as segment segment elision sections without segment segments (1 in FIG. 10) and not bent toward the outer circumference.
  • the radial width of the winding turns formed by the second portion B3 may be equal to or greater than the length at which the outermost segment piece is bent. In this way, when the outermost segment is bent toward the outer circumference, the end of the bent portion does not protrude toward the inner surface of the battery housing beyond the outer circumferential surface of the electrode assembly.
  • the structural change pattern of the segments included in the segment arranging unit 66 may be opposite to those of the above-described embodiments (modified examples).
  • the height of the segments may gradually or gradually increase from the core side to the outer circumference side. That is, from the outer circumferential side of the electrode assembly to the core side, the segment omitted section (1 in FIG. 10), the segment height variable section (Fig. 10 2), and the segment height uniform section (Fig. 10 3) are arranged in order, In the bending surface area (F), a section with a uniform number of stacks in which the number of stacked segment pieces is 10 or more may appear in a desirable numerical range.
  • Various electrode assembly structures according to embodiments of the present invention may be applied to a jelly roll type cylindrical battery.
  • the cylindrical battery may be, for example, a cylindrical battery having a form factor ratio (defined as the diameter of the cylindrical battery divided by the height, i.e., the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)) of greater than about 0.4.
  • the form factor means a value representing the diameter and height of a cylindrical battery.
  • the diameter of the cylindrical battery may be 35 mm or more, preferably 40 mm to 50 mm.
  • the height of the cylindrical battery may be 70 mm or more, preferably 75 mm to 90 mm.
  • a cylindrical battery according to an embodiment may be, for example, a 46110 battery, a 4875 battery, a 48110 battery, a 4880 battery, or a 4680 battery.
  • the first two numbers represent the diameter of the battery, and the remaining numbers represent the height of the battery.
  • a battery according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.436.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • batteries with a form factor ratio of approximately 0.4 or less have been used. That is, conventionally, for example, 1865 batteries and 2170 batteries have been used.
  • 1865 batteries and 2170 batteries have been used.
  • the diameter is approximately 18 mm
  • the height is approximately 65 mm
  • the form factor ratio is 0.277.
  • the diameter is approximately 21 mm
  • the height is approximately 70 mm
  • the form factor ratio is 0.300.
  • FIG. 17 shows the Y-axis direction so that the cylindrical battery 190 according to an embodiment of the present invention is cut to pass through the bending surface area (F in FIG. 7G) of the segment segments included in the segment alignment unit (66 in FIG. 7G). It is a cross-section along the
  • a cylindrical battery 190 includes an electrode assembly 110 including a first electrode, a separator, and a second electrode, and a battery housing 142 accommodating the electrode assembly 110. ) and a sealing body 143 sealing the open end of the battery housing 142.
  • the battery housing 142 is a cylindrical container with an opening formed thereon.
  • the battery housing 142 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, or stainless steel.
  • a nickel coating layer may be formed on the surface of the battery housing 142 .
  • the battery housing 142 accommodates the electrode assembly 110 in the inner space through the top opening and also accommodates the electrolyte.
  • the electrolyte may be a salt having a structure such as A + B -- .
  • a + includes alkali metal cations such as Li + , Na + , and K + or ions made of combinations thereof.
  • B- is F- , Cl- , Br- , I- , NO 3- , N(CN) 2- , BF 4- , ClO 4- , AlO 4- , AlCl 4 -- , PF 6 -- , SbF 6 -- , AsF 6 -- , BF 2 C 2 O 4 -- , BC 4 O 8 -- , (CF 3 ) 2 PF 4 -- , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 -- , (CF 3 ) 5 PF -- , (CF 3 ) 6 P -- , CF 3 SO 3 -- , C 4 F 9 SO 3 -- , CF 3 CF 2 SO 3 -- , (CF 3 SO 2 ) 2 N -- , (FSO 2 ) 2 N -- ,
  • the electrolyte can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • organic solvent propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC) , dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone 2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), ⁇ -butyrolactone, or mixtures thereof may be used.
  • the electrode assembly 110 may have a jelly roll shape. As shown in FIG. 2, the electrode assembly 110 is a laminate formed by sequentially stacking a lower separator, a first electrode, an upper separator, and a second electrode at least once. Winding around the winding center (C) It can be produced by
  • the first electrode and the second electrode have different polarities. That is, when one is positively polarized, the other is negatively polarized. At least one of the first electrode and the second electrode may have an electrode structure according to the above-described embodiments (modifications). In addition, the other one of the first electrode and the second electrode may have a conventional electrode structure or an electrode structure according to embodiments (modifications).
  • the number of electrode pairs included in the electrode assembly 110 is not limited to one and may be two or more.
  • a segment aligning portion (see 66 in FIG. 7F) formed by
  • the segments included in the segment arranging unit 66 are bent in the radial direction of the electrode assembly 110, for example, from the outer circumferential side to the core side to form a bending surface area F.
  • the first portion B1 is lower than the other portions and corresponds to the segment segment omission section a1 having no segment segment, so it is not bent toward the core.
  • the bending surface area (F) may include a segment segment omission section (a1), a segment segment height variable section (a2), and a segment segment height uniform section (a3) from the core side to the outer circumferential side.
  • the bending surface area F includes a section b1 with a uniform number of stacked segments in which the number of stacked segment segments is 10 or more adjacent to the segment segment omitted section a1.
  • the bending surface area F may also include a section b2 in which the number of stacked segments decreases toward the outer circumference adjacent to the outer circumference of the electrode assembly 110 .
  • the section b1 with the uniform number of layers may be set as a welding target region.
  • the ratio (a2/c) to the variable height section (a2) of the segment fragment based on the radial length (c) in which the segment fragment exists and the ratio (a2/c) to the uniform section (b1) Since the ratio (b1/c) and the ratio of the ratio of the area of the bending surface area (F) to the area of the uniform section (b1) of the number of layers have already been described above, repetitive descriptions are omitted.
  • the first collector plate 144 is laser welded to the bent surface area F of the first uncoated portion 146a, and the second collector plate 145 is welded to the bent surface area F of the second uncoated portion 146b.
  • the welding method can be replaced by ultrasonic welding, resistance welding, spot welding, and the like.
  • the welding area W of the first collector plate 144 and the second collector plate 145 may overlap with the uniform number of laminated section b1 of the bent surface area F.
  • the remaining area of the welding area (W) may overlap the section (b2) of reducing the number of plies of the bending surface area (F).
  • the entire welding region W overlaps the uniform number of laminated section b1.
  • the number of stacked segments may be 10 to 35 in the section b1 for uniform number of layers overlapping the welding region W and the section b2 for decreasing the number of layers optionally.
  • the laser output in the reduced number of layers section (b2) is lower than that in the uniform number of laminated section (b1).
  • the output of the laser can be varied according to the number of stacked segments.
  • the welding strength of the section where the number of layers is uniform (b1) may be higher than that of the section (b2) where the number of layers is reduced.
  • the segment omission section (a1) and/or the segment segment height variable section (a2) and/or the segment segment height uniform section (a3) may be the same or different from each other.
  • bent surface regions F formed on the upper and lower portions of the electrode assembly 110 may form a plane symmetrical structure. Therefore, when the upper bending surface area F is projected toward the lower bending surface area F, they can substantially overlap each other.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 is relatively smaller than that of other portions.
  • the bending length (H) of the segment closest to the core is 10% of the radial length (R) of the winding turns formed by the first portion (B1) and the radius of the core (112). less than the sum of
  • the segments included in the segment aligning unit 66 are bent toward the core, 90% or more of the diameter of the core 112 of the electrode assembly 110 may be open to the outside. If the core 112 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. In addition, a welding process between the second collector plate 145 and the battery housing 142 may be easily performed by inserting a welding jig through the core 112 .
  • width and/or height and/or spacing pitch of the segments are adjusted to satisfy the numerical ranges of the above-described embodiments, when the segment segments are bent, the segment segments are overlapped in several layers enough to secure sufficient welding strength and are bent. An empty space (gap) is not formed in the surface area (F).
  • the first collector plate 144 and the second collector plate 145 may have outer diameters covering ends of segment pieces (see 61 in FIG. 12) bent in the last winding turns of the first and second electrodes. there is.
  • welding is possible in a state where the segments forming the bending surface area F are uniformly pressed by the current collector plate, and the tightly stacked state of the segment segments can be well maintained even after welding.
  • the tightly stacked state means a state in which there are substantially no gaps between segment segments as shown in FIG. 10 .
  • the tight stacked state contributes to lowering the resistance of the cylindrical battery 190 to a level suitable for rapid charging (eg, 4 milliohms) or less.
  • the sealing body 143 provides airtightness between the cap plate 143a, the cap plate 143a and the battery housing 142, and is electrically and mechanically connected to the first gasket 143b having insulation and the cap plate 143a. It may include a connection plate (143c) coupled to.
  • the cap plate 143a is a component made of a conductive metal material and covers an upper opening of the battery housing 142 .
  • the cap plate 143a is electrically connected to the bent surface area F of the first electrode and electrically insulated from the battery housing 142 through the first gasket 143b. Accordingly, the cap plate 143a may function as a first electrode terminal (eg, anode) of the cylindrical battery 190 .
  • the cap plate 143a is seated on the beading part 147 formed in the battery housing 142 and is fixed by the crimping part 148 .
  • a first gasket 143b may be interposed between the cap plate 143a and the crimping portion 148 to ensure airtightness of the battery housing 142 and to electrically insulate the battery housing 142 and the cap plate 143a.
  • the cap plate 143a may include a protruding portion 143d protruding upward from the center thereof.
  • the battery housing 142 is electrically connected to the bent surface area F of the second electrode. Accordingly, the battery housing 142 has the same polarity as the second electrode. If the second electrode has a negative polarity, the battery housing 142 also has a negative polarity.
  • the battery housing 142 has a beading part 147 and a crimping part 148 at the top.
  • the beading portion 147 is formed by press fitting around the outer circumferential surface of the battery housing 142 .
  • the beading part 147 prevents the electrode assembly 110 accommodated inside the battery housing 142 from escaping through the top opening of the battery housing 142, and may function as a support on which the sealing body 143 is seated. .
  • the second portion B3 of the first electrode may be notched in the same structure as the first portion B1 without including segment segments.
  • the inner circumferential surface of the beading portion 147 may be separated from the winding turns formed by the second portion B3 of the first electrode by a predetermined distance. This is because the second portion B3 is notched like the first portion B1. More specifically, the lower end of the inner circumferential surface of the beading portion 147 is spaced apart from the winding turns formed by the second portion B3 of the first electrode by a predetermined distance.
  • the uncoated portion of the second portion B3 has a low height, even when the battery housing 142 is press-fitted from the outside to form the beading portion 147, the winding turns of the second portion B3 are not substantially affected. don't Therefore, the winding turns of the second part B3 are not pressed by other components such as the beading part 147, and thus partial shape deformation of the electrode assembly 110 is prevented from occurring, and the cylindrical battery 190 Internal short circuit can be prevented.
  • the press-in depth of the beading portion 147 is defined as D1, and the radial length from the inner circumferential surface of the battery housing 142 to the boundary between the second portion B3 and the third portion B2 is defined as D2.
  • D1 ⁇ D2 the relational expression
  • the battery housing 142 is press-fitted to form the beading portion 147, damage to the winding turns formed by the second portion B3 is substantially prevented.
  • the crimping portion 148 is formed above the beading portion 147 .
  • the crimping portion 148 has an extended and bent shape to surround the outer circumferential surface of the cap plate 143a disposed on the beading portion 147 and a portion of the top surface of the cap plate 143a.
  • the cylindrical battery 190 may further include a first collector plate 144 and/or a second collector plate 145 and/or an insulator 146 .
  • the first collector plate 144 is coupled to an upper portion of the electrode assembly 110 .
  • the first collector plate 144 is made of a conductive metal material such as aluminum, copper, steel, or nickel, and is electrically connected to the bent surface area F of the first electrode. Electrical connection may be made through welding.
  • a lead 149 may be connected to the first collector plate 144 .
  • the lead 149 may extend upward from the electrode assembly 110 and be coupled to the connection plate 143c or directly coupled to the lower surface of the cap plate 143a.
  • the lead 149 and other components may be coupled through welding.
  • the first collector plate 144 may be integrally formed with the lead 149 .
  • the lead 149 may have a long plate shape extending outward from the vicinity of the center of the first collector plate 144 .
  • the coupling between the first collector plate 144 and the bent surface area F of the first electrode may be performed by, for example, laser welding.
  • Laser welding may be performed by partially melting the base material of the current collector plate.
  • welding between the first collector plate 144 and the bent surface area F may be performed with solder interposed therebetween.
  • the solder may have a lower melting point compared to the first collector plate 144 and the first uncoated portion 146a.
  • Laser welding can be replaced with resistance welding, ultrasonic welding, and spot welding.
  • a second collector plate 145 may be coupled to a lower surface of the electrode assembly 110 .
  • One surface of the second collector plate 145 may be coupled to the bent surface area F of the second electrode by welding, and the opposite surface may be coupled to the inner bottom surface of the battery housing 142 by welding.
  • the coupling structure between the second collector plate 145 and the bent surface area F of the second electrode may be substantially the same as the coupling structure between the first collector plate 144 and the bent surface area F of the first electrode.
  • the insulator 146 may cover the first current collector 144 .
  • the insulator 146 may prevent direct contact between the first current collector 144 and the inner circumferential surface of the battery housing 142 by covering the first collector plate 144 on the upper surface of the first collector plate 144 . .
  • the insulator 146 has a lead hole 151 through which a lead 149 extending upward from the first collector plate 144 can be drawn out.
  • the lead 149 is drawn upward through the lead hole 151 and coupled to the lower surface of the connection plate 143c or the lower surface of the cap plate 143a.
  • An area around the edge of the insulator 146 may be interposed between the first current collector 144 and the beading portion 147 to fix the combination of the electrode assembly 110 and the first current collector 144 . Accordingly, the combination of the electrode assembly 110 and the first collector plate 144 restricts the movement of the battery 140 in the height direction, so that assembly stability of the battery 140 can be improved.
  • the insulator 146 may be made of an insulating polymer resin.
  • insulator 146 may be made of polyethylene, polypropylene, polyimide or polybutyleneterephthalate.
  • the battery housing 142 may further include a venting portion 152 formed on a lower surface thereof.
  • the venting portion 152 corresponds to an area of the lower surface of the battery housing 142 having a smaller thickness than the surrounding area.
  • the vent 152 is structurally weak compared to the surrounding area. Therefore, when an abnormality occurs in the cylindrical battery 190 and the internal pressure increases to a predetermined level or more, the venting part 152 is ruptured and the gas generated inside the battery housing 142 may be discharged to the outside.
  • the internal pressure at which the vent unit 152 is ruptured may be approximately 15 kgf/cm 2 to 35 kgf/cm 2 .
  • the venting portion 152 may be continuously or discontinuously formed on the lower surface of the battery housing 142 in a circular motion.
  • the vents 152 may be formed in a rectilinear pattern or some other pattern.
  • FIG. 18 is a Y-axis direction in which a cylindrical battery 200 according to another embodiment of the present invention is cut so as to pass through the bending surface area (F in FIG. 7G) of segments included in the segment arranging unit (66 in FIG. 7G). It is a cross section cut along the
  • the cylindrical battery 200 is different from the cylindrical battery 190 shown in FIG. 17 in that the structure of the electrode assembly is substantially the same, and the structure except for the electrode assembly is changed.
  • the cylindrical battery 200 includes a battery housing 171 through which rivet terminals 172 are installed.
  • the rivet terminal 172 is installed through a through hole formed in the closed surface (upper surface in the drawing) of the battery housing 171 .
  • the rivet terminal 172 is riveted to the through hole of the battery housing 171 in a state where the second gasket 173 made of an insulating material is interposed therebetween.
  • the rivet terminal 172 is exposed to the outside in a direction opposite to the direction of gravity.
  • the rivet terminal 172 includes a terminal exposed portion 172a and a terminal inserted portion 172b.
  • the terminal exposed portion 172a is exposed to the outside of the closed surface of the battery housing 171 .
  • the terminal exposed portion 172a may be located at a substantially central portion of the closed surface of the battery housing 171 .
  • the maximum diameter of the terminal exposed portion 172a may be larger than the maximum diameter of the through hole formed in the battery housing 171 .
  • the terminal insertion portion 172b may be electrically connected to the uncoated portion 146a of the first electrode through a substantially central portion of the closed surface of the battery housing 171 .
  • a lower edge of the terminal insertion portion 172b may be rivet-coupled to the inner surface of the battery housing 171 .
  • the lower edge of the terminal insertion portion 172b may have a curved shape toward the inner surface of the battery housing 171 .
  • a flat portion 172c is included inside the lower edge of the terminal insertion portion 172b.
  • the maximum diameter of the bottom of the riveted terminal insertion part 172b may be greater than the maximum diameter of the through hole of the battery housing 171 .
  • the flat portion 172c of the terminal insertion portion 172b may be welded to the central portion of the first collector plate 144 connected to the bent surface area F of the first electrode.
  • a welding method laser welding is preferred, but other welding methods such as ultrasonic welding can be substituted.
  • An insulator 174 made of an insulating material may be interposed between the first collector plate 144 and the inner surface of the battery housing 171 .
  • the insulator 174 covers the top of the first current collector 144 and the upper edge of the electrode assembly 110 . Accordingly, it is possible to prevent a short circuit from being caused by contact of the second portion B3 of the electrode assembly 110 with the inner surface of the battery housing 171 having a different polarity.
  • the thickness of the insulator 174 corresponds to or is slightly greater than the distance between the upper surface of the first collector plate 144 and the inner surface of the closed portion of the battery housing 171 . Accordingly, the insulator 174 may contact the upper surface of the first collector plate 144 and the inner surface of the closed portion of the battery housing 171 .
  • the terminal insertion portion 172b of the rivet terminal 172 may be welded to the first collector plate 144 through the through hole of the insulator 174 .
  • the diameter of the through hole formed in the insulator 174 may be greater than the diameter of the riveting part at the lower end of the terminal insertion part 172b.
  • the through hole may expose the lower portion of the terminal insertion portion 172b and the second gasket 173.
  • the second gasket 173 is interposed between the battery housing 171 and the rivet terminal 172 to prevent electrical contact between the battery housing 171 and the rivet terminal 172 having opposite polarities.
  • the upper surface of the battery housing 171 having a substantially flat shape can function as a second electrode terminal (eg, a negative electrode) of the cylindrical battery 200 .
  • the second gasket 173 includes a gasket exposed portion 173a and a gasket insertion portion 173b.
  • the gasket exposed portion 173a is interposed between the terminal exposed portion 172a of the rivet terminal 172 and the battery housing 171 .
  • the gasket insertion portion 173b is interposed between the terminal insertion portion 172b of the rivet terminal 172 and the battery housing 171 .
  • the gasket insertion portion 173b may be deformed together during riveting of the terminal insertion portion 172b and adhered to the inner surface of the battery housing 171 .
  • the second gasket 173 may be made of, for example, a polymer resin having insulating properties.
  • the gasket exposed portion 173a of the second gasket 173 may have an extended shape to cover the outer circumferential surface of the terminal exposed portion 172a of the rivet terminal 172 .
  • a short circuit occurs in the process of coupling an electrical connection part such as a bus bar to the upper surface of the battery housing 171 and / or to the rivet terminal 172 that can be prevented
  • the gasket exposed portion 173a may have an extended shape to cover not only the outer circumferential surface of the terminal exposed portion 172a but also a portion of the upper surface thereof.
  • the second gasket 173 may be coupled to the battery housing 171 and the rivet terminal 172 by thermal fusion. In this case, airtightness at the bonding interface between the second gasket 173 and the rivet terminal 172 and at the bonding interface between the second gasket 173 and the battery housing 171 may be enhanced. Meanwhile, in the case where the gasket exposed portion 173a of the second gasket 173 extends to the upper surface of the terminal exposed portion 172a, the rivet terminal 172 is formed by insert injection molding to form the second gasket 173 ) and can be integrally combined with.
  • the area 175 other than the area occupied by the rivet terminal 172 and the second gasket 173 corresponds to the second electrode terminal having a polarity opposite to that of the rivet terminal 172.
  • the second collector plate 176 is coupled to the lower portion of the electrode assembly 141 .
  • the second collector plate 176 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, copper, or nickel, and is electrically connected to the bent surface area F of the second electrode.
  • the second collector plate 176 is electrically connected to the battery housing 171 .
  • at least a portion of an edge portion of the second collector plate 176 may be interposed and fixed between the inner surface of the battery housing 171 and the first gasket 178b.
  • at least a portion of the edge portion of the second collector plate 176 is fixed to the beading portion 180 by welding while being supported on the bottom surface of the beading portion 180 formed at the bottom of the battery housing 171. It can be.
  • at least a portion of an edge portion of the second collector plate 176 may be directly welded to the inner wall surface of the battery housing 171 .
  • the second collector plate 176 and the bent surface area F of the second electrode may be coupled by, for example, laser welding.
  • a welded portion between the second collector plate 176 and the bent surface area F may be spaced apart from the core C by a predetermined distance based on the inner circumferential surface of the beading portion 180 .
  • the sealing body 178 sealing the lower open end of the battery housing 171 includes a cap plate 178a and a first gasket 178b.
  • the first gasket 178b electrically separates the cap plate 178a and the battery housing 171 from each other.
  • the crimping part 181 fixes the edge of the cap plate 178a and the first gasket 178b together.
  • a vent portion 179 is provided on the cap plate 178a.
  • the configuration of the vent portion 179 is substantially the same as that of the above-described embodiment (modified example).
  • a lower surface of the cap plate 178a may be positioned above a lower surface of the crimping part 181 . In this case, a space is formed under the cap plate 178a to smoothly perform venting.
  • the cap plate 178a is made of a conductive metal material.
  • the first gasket 178b is interposed between the cap plate 178a and the battery housing 171, the cap plate 178a does not have an electrical polarity.
  • the sealing body 178 mainly functions to seal the open end of the lower portion of the battery housing 171 and discharge gas when the internal pressure of the battery 200 increases above a critical value.
  • the critical value of the internal pressure is 15 kgf/cm 2 to 35 kgf/cm 2 .
  • the rivet terminal 172 electrically connected to the bent surface area F of the first electrode is used as the first electrode terminal.
  • the portion 175 excluding the rivet terminal 172 is the first electrode terminal. It is used as a second electrode terminal having a different polarity from As such, when the two electrode terminals are located on the top of the cylindrical battery 200, it is possible to dispose an electrical connection component such as a bus bar on only one side of the cylindrical battery 200. This can lead to simplification of the battery pack structure and improvement of energy density.
  • portion 175 used as the second electrode terminal has a substantially flat shape, a sufficient bonding area can be secured for bonding electrical connection components such as bus bars. Accordingly, in the cylindrical battery 200, resistance at the junction of the electrical connecting parts can be reduced to a desired level.
  • FIG. 19 shows the Y-axis of cutting a cylindrical battery 210 according to another embodiment of the present invention so as to pass through the bending surface area (F in FIG. 7G) of segments included in the segment arranging unit (66 in FIG. 7G). It is a cross section cut along the direction.
  • a cylindrical battery 210 includes the electrode assembly 100 shown in FIG. 13 , and other configurations except for the electrode assembly 100 are substantially the same as those of the cylindrical battery 190 shown in FIG. 17 . Accordingly, the configuration described with reference to FIGS. 13 and 17 may be substantially equally applied to the present embodiment.
  • the first and second uncoated portions 146a and 146b of the electrode assembly 100 include a plurality of segment segment groups 61g.
  • the plurality of segment segments 61g form segment alignment units ( 66 in FIG. 7F ) on the upper and lower portions of the electrode assembly 100 .
  • the segment segments 61 included in the segment arranging unit 66 are bent in the radial direction of the electrode assembly 100, for example, from the outer circumferential side to the core side.
  • the uncoated portions of the first portion B1 and the second portion B3 of the first uncoated portion 146a are lower in height than the other portions and do not include segment segments, they are not substantially bent. This is also the case of the second non-coated portion 146b.
  • the bending surface area F formed by the segment segments 61 included in the segment arranging unit 66 includes a segment omission section a1 from the core side to the outer periphery, and a segment height variable section ( a2) and a segment height uniform section (a3).
  • the length of the bending surface area F in the radial direction may be shorter than in the case of the above-described embodiment.
  • the bending surface area F includes a section b1 with a uniform number of stacked segments in which the number of stacked segment segments is 10 or more adjacent to the segment segment omitted section a1.
  • the bending surface area F may also include a section for decreasing the number of layers adjacent to the winding turns of the second part B3 of the electrode assembly 100, in which the number of layers of segment segments decreases toward the outer circumference.
  • the section b1 with the uniform number of layers may be set as a welding target area.
  • the ratio (a2/c) to the variable height section (a2) of the segment fragment based on the radial length (c) in which the segment fragment exists and the ratio (a2/c) to the uniform section (b1) Since the ratio (b1/c) and the ratio of the ratio of the area of the bending surface area (F) to the area of the uniform section (b1) of the number of layers have already been described above, repetitive descriptions are omitted.
  • the first collector plate 144 is welded to the bent surface area F of the first uncoated portion 146a, and the second collector plate 145 is welded to the bent surface area F of the second uncoated portion 146b. It can be.
  • the configuration and the like of not blocking the core are substantially the same as those described above.
  • the second portion B3 does not include segment segments, and the uncoated portion has a lower height than the segment segments of the third portion B2. Accordingly, when the segments of the third portion B2 are bent, the second portion B3 is not substantially bent. In addition, since the winding turns of the second part B3 are sufficiently spaced from the beading part 147, it is possible to solve the problem that the winding turns of the second part B3 are damaged in the process of press-fitting the beading part 147. .
  • FIG. 20 shows the Y-axis of cutting a cylindrical battery 220 according to another embodiment of the present invention so as to pass through the bending surface area (F in FIG. 7G ) of segments included in the segment arranging unit ( 66 in FIG. 7G ). It is a cross section cut along the direction.
  • a cylindrical battery 220 includes the electrode assembly 100 shown in FIG. 13 , and other configurations except for the electrode assembly 100 are substantially the same as those of the cylindrical battery 200 shown in FIG. 18 . Accordingly, the configuration described with reference to FIGS. 13 and 18 may be substantially equally applied to the present embodiment.
  • the first and second uncoated portions 146a and 146b of the electrode assembly 100 include a plurality of segment segment groups 61g, and the plurality of segment segment groups 61g are arranged in a radial direction.
  • An alignment portion (66 in FIG. 7F) is formed.
  • the segment segments included in the segment alignment unit 66 are bent from the outer circumferential side of the electrode assembly 100 to the core side to form a bent surface area F.
  • the first portion B1 and the second portion B3 of the first non-coated portion 146a are not substantially bent toward the core because the non-coated portion has a lower height than the other portions and does not include segment pieces. This is also the case of the second non-coated portion 146b.
  • the bending surface area F is a segment segment omission section a1, a segment segment height variable section a2, and a segment segment height uniform section from the core side to the outer circumference ( a3) may be included.
  • the length of the bending surface area F in the radial direction may be shorter than that of the above-described embodiment.
  • the bending surface area F includes a section b1 with a uniform number of stacked segments in which the number of stacked segment segments is 10 or more adjacent to the segment segment omitted section a1.
  • the bending surface area F may also include a section for decreasing the number of layers adjacent to the winding turns of the second part B3 of the electrode assembly 100, in which the number of layers of segment segments decreases toward the outer circumference.
  • the section b1 with the uniform number of layers may be set as a welding target area.
  • the ratio (a2/c) to the variable height section (a2) of the segment fragment based on the radial length (c) in which the segment fragment exists and the ratio (a2/c) to the uniform section (b1) Since the ratio (b1/c) and the ratio of the ratio of the area of the bending surface area (F) to the area of the uniform section (b1) of the number of layers have already been described above, repetitive descriptions are omitted.
  • the first collector plate 144 is welded to the bent surface area F of the first uncoated portion 146a, and the second collector plate 176 is welded to the bent surface area F of the second uncoated portion 146b. It can be.
  • the first collector plate 144 and the second collector plate 176 included in the cylindrical batteries 200 and 220 including the rivet terminals 172 are shown in FIGS. 21 and 21 22 may have an improved structure.
  • the improved structures of the first collector plate 144 and the second collector plate 176 may contribute to lowering resistance, improving vibration resistance, and improving energy density of the cylindrical battery.
  • the first collector plate 144 and the second collector plate 176 are more effective when used in a large cylindrical battery having a diameter-to-height ratio greater than 0.4.
  • 21 is a top plan view showing the structure of the first collector plate 144 according to an embodiment of the present invention.
  • the first collector plate 144 may include an edge portion 144a, a first uncoated portion coupling portion 144b, and a terminal coupling portion 144c.
  • the edge portion 144a is disposed above the electrode assembly 100 .
  • the edge portion 144a may have a substantially rim shape in which an empty space S open is formed therein.
  • the rim portion 144a may have a substantially quadrangular rim shape, a hexagonal rim shape, an octagonal rim shape, or other rim shapes, unlike those shown.
  • the number of the edge portions 144a may be increased to two or more. In this case, another rim-shaped rim portion may be included inside the rim portion 144a.
  • the terminal coupling portion 144c is a flat portion 172c formed on the bottom surface of the rivet terminal 172 to secure a welding area for coupling with the flat portion 172c formed on the bottom surface of the rivet terminal 172. It may have a diameter equal to or greater than the diameter of
  • the first uncoated portion coupling portion 144b extends inwardly from the edge portion 144a and is coupled to the bent surface area F of the uncoated portion 146a through welding.
  • the terminal coupling portion 144c is spaced apart from the first uncoated portion coupling portion 144b and is positioned inside the edge portion 144a.
  • the terminal coupling portion 144c may be coupled to the rivet terminal 172 by welding.
  • the terminal coupling portion 144c may be located, for example, at a substantially central portion of the inner space S open surrounded by the rim portion 144a.
  • the terminal coupling portion 144c may be provided at a position corresponding to a hole formed in the core C of the electrode assembly 100 .
  • the terminal coupling portion 144c covers a hole formed in the core C of the electrode assembly 100 so that the hole formed in the core C of the electrode assembly 100 is not exposed to the outside of the terminal coupling portion 144c.
  • the terminal coupling portion 144c may have a larger diameter or width than the hole formed in the core C of the electrode assembly 100 .
  • the first uncoated portion coupling portion 144b and the terminal coupling portion 144c are not directly connected but are spaced apart from each other and may be indirectly connected by the edge portion 144a.
  • the first collector plate 144 has a structure in which the first uncoated portion coupling portion 144b and the terminal coupling portion 144c are not directly connected to each other but connected through the edge portion 144a, thereby providing a cylindrical battery
  • shock and/or vibration occurs in the 220
  • the coupling portion between the first uncoated portion 144b and the first uncoated portion 146a and the coupling portion between the terminal coupling portion 144c and the rivet terminal 172 It can dissipate the applied impact.
  • the number of the first uncoated part coupling part 144b is 4 is shown, but the present invention is not limited thereto.
  • the number of the first uncoated portion coupling portions 144b may be variously determined in consideration of manufacturing difficulty according to shape complexity, electrical resistance, and an inner space (S open ) of the rim portion 144a in consideration of electrolyte impregnability. there is.
  • the first collector plate 144 may further include a bridge portion 144d extending inwardly from the edge portion 144a and connected to the terminal coupling portion 144c. At least a portion of the bridge portion 144d may have a smaller cross-sectional area than the first uncoated portion coupling portion 144b and the edge portion 144a. For example, at least a portion of the bridge portion 144d may have a smaller width and/or thickness than that of the first uncoated portion coupling portion 144b. In this case, electrical resistance increases in the bridge portion 144d. As a result, when current flows through the bridge portion 144d, a relatively large resistance causes melting due to overcurrent heating in a portion of the bridge portion 144d. In this way, the overcurrent is irreversibly blocked.
  • the cross-sectional area of the bridge part 144d may be adjusted to an appropriate level in consideration of the overcurrent blocking function.
  • the bridge portion 144d may include a tapered portion 144e whose width gradually decreases in a direction from the inner surface of the edge portion 144a toward the terminal coupling portion 144c.
  • the rigidity of the component may be improved at a connection portion between the bridge portion 144d and the edge portion 144a.
  • the tapered portion 144e is provided, in the manufacturing process of the cylindrical battery 220, for example, the first collector plate 144 and/or The assembly of the first collector plate 144 and the electrode assembly 100 can be easily and safely transported.
  • the tapered portion 144e when the tapered portion 144e is provided, defects in the product that may occur by gripping parts where welding is performed with other parts, such as the first uncoated portion coupling portion 144b and the terminal coupling portion 144c, are prevented. It can be prevented.
  • the first uncoated portion coupling portion 144b may be provided in plurality.
  • the plurality of first uncoated portion coupling portions 144b may be disposed at equal intervals along the extension direction of the edge portion 144a. Extension lengths of each of the plurality of first uncoated portion coupling portions 144b may be substantially equal to each other.
  • the first uncoated portion coupling portion 144b may be coupled to the bent surface area F of the uncoated portion 146a by laser welding. Welding may be replaced by ultrasonic welding, spot welding, or the like.
  • the welding pattern 144f formed by welding between the first uncoated portion coupling portion 144b and the bent surface area F may have a structure extending along the radial direction of the electrode assembly 100 .
  • the welding pattern 144f may be an array of line patterns or dot patterns.
  • the welding pattern 144f corresponds to a welding area. Therefore, it is preferable that the welding pattern 144f overlaps at least 50% with the uniform section b1 of the number of plies in the bending surface area F.
  • the welding pattern 144f that does not overlap with the period of uniform number of layers (b1) may overlap with the period of decreasing number of layers (b2). More preferably, the entire welding pattern 144f may overlap the section b1 of the uniform number of plies in the bending surface area F.
  • the number of stacked segment pieces is 10 or more in the section b1 where the number of layers is uniform and, optionally, the section where the number of layers decreases (b2) is reduced. .
  • the terminal coupling portion 144c may be arranged to be surrounded by the plurality of first uncoated portion coupling portions 144b.
  • the terminal coupling portion 144c may be coupled to the flat portion 172c of the rivet terminal 172 by welding.
  • the bridge portion 144d may be positioned between a pair of adjacent first uncoated portion coupling portions 144b. In this case, the distance from the bridge part 144d to any one of the pair of first uncoated part coupling parts 144b along the extending direction of the edge part 144a is from the bridge part 144d to the edge part 144a. ) may be approximately the same as the distance to the other one of the pair of first uncoated portion coupling portions 144b along the extension direction.
  • Each of the plurality of first uncoated portion coupling portions 144b may have substantially the same cross-sectional area.
  • Each of the plurality of first uncoated portion coupling portions 144b may have substantially the same width and thickness.
  • a plurality of the bridge parts 144d may be provided. Each of the plurality of bridge parts 144d may be disposed between a pair of adjacent first uncoated part coupling parts 144b. The plurality of bridge parts 144d may be disposed at substantially equal intervals along the extension direction of the edge part 144a. The distance from each of the plurality of bridge portions 144d to any one of the pair of first uncoated portion coupling portions 144b adjacent to each other along the extending direction of the edge portion 144a is the remaining first uncoated portion coupling portion. may be approximately equal to the distance to (144b).
  • the distance between the first uncoated portion coupling portions 144b and/or the bridge portions 144d When a plurality of first uncoated portion coupling portions 144b and/or bridge portions 144d are provided, the distance between the first uncoated portion coupling portions 144b and/or the bridge portions 144d When the distance between the first uncoated portion coupling portion 144b and the bridge portion 144d is formed constant, the current directed from the first uncoated portion coupling portion 144b toward the bridge portion 144d or the bridge portion ( A flow of current from 144d) toward the first uncoated portion coupling portion 144b may be smoothly formed.
  • the bridge portion 144d may include a notched portion N formed to partially reduce a cross-sectional area of the bridge portion 144d. Adjustment of the cross-sectional area of the notched portion N may be realized through, for example, partial reduction of the width and/or thickness of the bridge portion 144d.
  • the electrical resistance in the region where the notching portion N is formed increases, thereby enabling rapid current interruption when overcurrent occurs.
  • the notched portion (N) is preferably provided in an area corresponding to the uniform number of stacked sections of the electrode assembly 100 in order to prevent foreign substances generated during breakage from entering the inside of the electrode assembly 100 . This is because the number of stacked segments of the uncoated portion 146a is kept to a maximum in this area, and thus the overlapping segment segments can function as a mask.
  • the notched portion N may be wrapped with insulating tape. Then, since the heat generated in the notched portion N is not dissipated to the outside, the notched portion N may be broken more quickly when an overcurrent flows through the bridge portion 144d.
  • FIG. 22 is a top plan view showing the structure of the second collector plate 176 according to an embodiment of the present invention.
  • the second current collector 176 is disposed below the electrode assembly 100 .
  • the second collector plate 176 may be configured to electrically connect the uncoated portion 146b of the electrode assembly 100 and the battery housing 171 .
  • the second collector plate 176 is made of a conductive metal material and is electrically connected to the bent surface area F of the uncoated portion 146b.
  • the second collector plate 176 is electrically connected to the battery housing 171 .
  • An edge portion of the second collector plate 176 may be interposed and fixed between the inner surface of the battery housing 171 and the first gasket 178b.
  • the edge portion of the second collector plate 176 may be interposed between the lower surface of the beading portion 180 of the battery housing 171 and the first gasket 178b.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the second collector plate 176 may be welded to the inner wall surface of the battery housing 171 in an area where the beading portion 180 is not formed. there is.
  • the second collector plate 176 includes a support portion 176a disposed below the electrode assembly 100, and extends substantially along the radial direction of the electrode assembly 100 from the support portion 176a to cover the uncoated portion 146b.
  • the inner surface of the battery housing 171 along the inclination direction with respect to the radial direction of the electrode assembly 100 from the second uncoated part coupling part 176b coupled to the bending surface area F and the support part 176a It may include a housing coupling portion 176c extending toward and coupled to an inner surface.
  • the second uncoated portion coupling portion 176b and the housing coupling portion 176c are indirectly connected through the support portion 176a and are not directly connected to each other.
  • the second collector plate 176 of the present invention is not limited to the case where the second uncoated portion coupling portion 176b and the housing coupling portion 176c are only indirectly connected.
  • the second collector plate 176 has a structure that does not include a support portion 176a for indirectly connecting the second uncoated portion coupling portion 176b and the housing coupling portion 176c, and/or a plain portion ( 146b) and the housing coupling part 176c may have a structure directly connected to each other.
  • the support portion 176a and the second uncoated portion coupling portion 176b are disposed below the electrode assembly 100 .
  • the second uncoated portion coupling portion 176b is coupled to the bent surface area F of the uncoated portion 146b.
  • the support portion 176a may also be coupled to the uncoated portion 146b.
  • the second uncoated portion coupling portion 176b and the bent surface area F of the uncoated portion 146b may be coupled by laser welding. Welding can be replaced with ultrasonic welding or spot welding.
  • the support portion 176a and the second uncoated portion coupling portion 176b are positioned above the beading portion 180 when the beading portion 180 is formed in the battery housing 171 .
  • the support part 176a has a current collector hole 176d formed at a position corresponding to a hole formed in the core C of the electrode assembly 100 .
  • the core C of the electrode assembly 100 and the collector plate hole 176d communicating with each other are inserted with a welding rod for welding between the rivet terminal 172 and the terminal coupling portion 144c of the first collector plate 144.
  • it may function as a passage for irradiation of a laser beam.
  • the current collector hole 176d may have a radius greater than or equal to 0.5r c compared to the radius r c of the hole formed in the core C of the electrode assembly 100 .
  • the radius of the collector plate hole 176d is 0.5r c to 1.0r c
  • the radius of the collector plate hole 176d is greater than 1.0 r c , since the opening of the core C is maximized, it is easy to inject the electrolyte in the electrolyte injection process.
  • the plurality of second uncoated portion coupling portions 176b extend substantially radially from the support portion 176a of the second current collector 176 to the battery housing 171. It may have a shape extending toward the side wall of the. Each of the plurality of second uncoated part coupling parts 176b may be spaced apart from each other along the circumference of the support part 176a.
  • a plurality of housing coupling parts 176c may be provided.
  • the plurality of housing coupling parts 176c may have a shape extending substantially radially from the center of the second collector plate 176 toward the sidewall of the battery housing 171 . Accordingly, electrical connection between the second collector plate 176 and the battery housing 171 may be made at a plurality of points. In this way, as coupling for electrical connection is made at a plurality of points, electrical resistance can be minimized by maximizing the coupling area.
  • Each of the plurality of housing coupling parts 176c may be spaced apart from each other along the circumference of the support part 176a. At least one housing coupling portion 176c may be positioned between adjacent second uncoated portion coupling portions 176b.
  • the plurality of housing coupling parts 176c may be coupled to, for example, the beading part 180 of the inner surface of the battery housing 171 .
  • the housing coupling parts 176c may be coupled to the lower surface of the beading part 180 through laser welding. Welding can be replaced by ultrasonic welding, spot welding, or the like. As such, by welding and coupling the plurality of housing coupling portions 176c on the beading portion 180, the current path is radially distributed, thereby limiting the resistance level of the cylindrical battery 220 to approximately 4 milliohms or less. .
  • the lower surface of the beading part 180 extends in a direction substantially parallel to the upper surface of the battery housing 171, that is, in a direction substantially perpendicular to the sidewall of the battery housing 171, and the housing coupling part 176c also By extending in the same direction, that is, in the radial direction and the circumferential direction, the housing coupling part 176c can stably contact the beading part 180.
  • the housing coupling portion 176c is in stable contact with the flat portion of the beading portion 180, welding between the two components can be performed smoothly, thereby improving the coupling force between the two components and increasing the resistance at the coupling portion. minimization effect can be obtained.
  • the housing coupling portion 176c may include a contact portion 176e coupled to the inner surface of the battery housing 171 and a connection portion 176f connecting the support portion 176a and the contact portion 176e.
  • the contact portion 176e is coupled to the inner surface of the battery housing 171.
  • the contact part 176e may be coupled to the beading part 180 as described above. More specifically, the contact portion 176e may be electrically coupled to a flat portion formed on the lower surface of the beading portion 180 formed on the battery housing 171, and the lower surface of the beading portion 180 and the first gasket ( 178b) may be interposed between them.
  • the contact portion 176e may have a shape extending from the beading portion 180 to a predetermined length along the circumferential direction of the battery housing 171 .
  • the connecting portion 176f may be bent at an obtuse angle.
  • the bending point may be higher than the middle point of the connecting portion 176f.
  • the contact portion 176e may be stably supported on the flat surface of the beading portion 180 .
  • the connecting portion 176f is divided into a lower portion and an upper portion based on the bending point, and the length of the lower portion may be greater than that of the upper portion.
  • the lower part of the bending point may have a larger angle of inclination with respect to the surface of the support part 176a than the upper part.
  • connection portion 176e when pressure is transmitted to the contact portion 176e during the sizing process of the battery housing 171 so that the contact portion 176e vertically moves toward the support portion 176b, the bending point of the connection portion 176f moves upward while the connection portion ( 176) is deformed, and through this the stress stress can be buffered.
  • the maximum distance from the center of the second collector plate 176 to the end of the second uncoated portion coupling portion 176b along the radial direction of the electrode assembly 100 is the battery in the region where the beading portion 180 is formed.
  • the inner diameter of the housing 171, that is, the minimum inner diameter of the battery housing 171 is equal to or smaller than this. This is to prevent the edge of the electrode assembly 100 from being pressed by the end of the second uncoated portion coupling portion 176b during the sizing process of compressing the battery housing 171 in the height direction.
  • the second uncoated portion 176b includes a hole 176g.
  • the hole 176g may be used as a passage through which electrolyte may move.
  • the welding pattern 176h formed by welding between the second uncoated portion coupling portion 176b and the bent surface area F may have a structure extending along the radial direction of the electrode assembly 100 .
  • the welding pattern 176h may be an array of line patterns or dot patterns.
  • the welding pattern 176h corresponds to a welding area. Therefore, it is preferable that the welding pattern 176h overlaps at least 50% with the uniform section b1 of the number of plies of the bending surface area F located at the lower part of the electrode assembly 100.
  • the welding pattern 176h that does not overlap with the period of uniform number of layers (b1) may overlap with the period of decreasing number of layers (b2). More preferably, the entire welding pattern 176h may overlap the uniform number of laminated section b1 of the bending surface area F.
  • the number of stacked segments is 10 or more in the section b1 with a uniform number of layers and, optionally, the section with a reduced number of layers b2. .
  • the outer diameters of the aforementioned first collector plate 144 and the second collector plate 176 are different from each other.
  • the outer diameter is the outer diameter of the contact area between the bent surface area F and the current collector plate.
  • the outer diameter is defined as the maximum value of the distance between two points where a straight line passing through the center of the core (C) of the electrode assembly and the edge of the contact area meet. Since the second collector plate 176 is located inside the beading part, its outer diameter is smaller than that of the first collector plate 144 .
  • the length of the welding pattern 144f of the first collector plate 144 is longer than the length of the welding pattern 176h of the second collector plate 176 .
  • the welding pattern 144f and the welding pattern 176h may extend toward the outer circumference from substantially the same point based on the center of the core C.
  • Cylindrical batteries 200 and 220 according to an embodiment of the present invention have an advantage that electrical connection can be performed at the top.
  • FIG. 23 is an upper plan view illustrating a state in which the plurality of cylindrical batteries 200 are electrically connected
  • FIG. 24 is a partially enlarged view of FIG. 23 .
  • the cylindrical battery 200 can be replaced with a cylindrical battery 220 having a different structure.
  • a plurality of cylindrical batteries 200 may be connected in series and in parallel on top of the cylindrical battery 200 using a bus bar 210 .
  • the number of cylindrical batteries 200 may be increased or decreased in consideration of the capacity of the battery pack.
  • the rivet terminal 172 may have a positive polarity and the flat surface 171a of the cell housing 171 around the rivet terminal 172 may have a negative polarity.
  • the reverse is also possible.
  • the plurality of cylindrical batteries 200 may be arranged in a plurality of rows and columns. Columns are in the vertical direction with respect to the page, and rows are in the left and right direction with respect to the page. Also, to maximize space efficiency, the cylindrical batteries 200 may be arranged in a closest packing structure. The dense packing structure is formed when an equilateral triangle is formed when the centers of the rivet terminals 172 exposed to the outside of the battery housing 171 are connected to each other.
  • the bus bar 210 connects the cylindrical batteries 200 disposed in the same row in parallel with each other, and connects the cylindrical batteries 200 disposed in two adjacent columns in series with each other.
  • the bus bar 210 may include a body portion 211, a plurality of first bus bar terminals 212, and a plurality of second bus bar terminals 213 for series and parallel connection.
  • the body part 211 may extend along the rows of cylindrical batteries 200 between adjacent rivet terminals 172 .
  • the body portion 211 may extend along the rows of the cylindrical batteries 200 and be regularly bent in a zigzag shape.
  • the plurality of first bus bar terminals 212 extend in one direction of the body portion 211 and may be electrically coupled to the rivet terminal 172 of the cylindrical battery 200 located in one direction. Electrical coupling between the first bus bar terminal 212 and the rivet terminal 172 may be performed by laser welding or ultrasonic welding.
  • the plurality of second bus bar terminals 213 extend from the other side of the body portion 211 and may be electrically coupled to the flat surface 171a around the rivet terminal 172 located in the other side. Electrical coupling between the second bus bar terminal 213 and the flat surface 171a may be performed by laser welding or ultrasonic welding.
  • the body part 211, the plurality of first bus bar terminals 212 and the plurality of second bus bar terminals 213 may be formed of one conductive metal plate.
  • the metal plate may be, for example, an aluminum plate or a copper plate, but the present invention is not limited thereto.
  • the body portion 211, the plurality of first bus bar terminals 212, and the plurality of second bus bar terminals 213 may be manufactured as separate pieces and then coupled to each other by welding or the like.
  • the above-described cylindrical battery 200 of the present invention has resistance through expansion of the welding area through the bending surface area F, multiplexing of current paths using the second collector plate 176, and minimization of the length of the current path. It has this minimized structure.
  • the AC resistance of the cylindrical battery 200 measured through a resistance meter between the positive and negative electrodes, that is, between the rivet terminal 172 and the flat surface 171a around it, is about 4 milliohms or less suitable for rapid charging.
  • the cylindrical battery 200 since the rivet terminal 172 having a positive polarity and the flat surface 171a having a negative polarity are located in the same direction, the cylindrical battery 200 using the bus bar 210 ) can be easily implemented.
  • a cylindrical battery according to the above-described embodiments (modifications) can be used to manufacture a battery pack.
  • 25 is a diagram schematically illustrating the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 300 includes an assembly to which cylindrical batteries 301 are electrically connected and a pack housing 302 accommodating them.
  • the cylindrical battery 301 may be any one of the batteries according to the above-described embodiments (modifications).
  • parts such as a bus bar, a cooling unit, and external terminals for electrically connecting the cylindrical batteries 301 are omitted.
  • the battery pack 300 may be mounted in a vehicle.
  • the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle. Vehicles include four-wheeled vehicles or two-wheeled vehicles.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack 300 of FIG. 25 .
  • a vehicle V according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V operates by receiving power from the battery pack 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the internal resistance of the battery can be reduced and the energy density can be increased by using the uncoated portion itself protruding from the top and bottom of the electrode assembly as an electrode tab.
  • the structure of the uncoated portion of the electrode assembly is improved to prevent the uncoated portion from being torn when the uncoated portion is bent, and the welding strength of the current collector plate can be improved by sufficiently increasing the number of overlapping layers in the uncoated portion. .
  • a plurality of segments are formed on the uncoated portion of the electrode, and when the electrode is wound, the plurality of segment segments are arranged in a predetermined direction, and the active material is formed on the electrode in an area where the segment segments are not disposed.
  • the end of the layer may be exposed between the winding turns of the separator to increase the impregnability (speed and uniformity) of the electrolyte.
  • the segment aligning unit by designing a minimum condition for the circumferential angle of the segment aligning unit in consideration of the thickness tolerance of the electrode and, optionally, the width of the welding line, the segment groups included in the segment arranging unit clockwise. Alternatively, even when rotating in a counterclockwise direction, the welding process of the current collector can be easily performed.
  • the segment structure is applied to the uncoated area of the electrode and the dimension (width, height, separation pitch) of the segment is optimized to sufficiently increase the number of stacked segment segments in the region used as the welding target region. As a result, the physical properties of the region where the current collector plate is welded can be improved.
  • an electrode assembly having improved energy density and reduced resistance is provided by applying a structure in which a current collector plate is welded to a large area on a bent surface area formed by bending segments.
  • the electrolyte injection process and the battery housing It is possible to easily proceed with a welding process between the current collector plate and the current collector plate.
  • a cylindrical battery having a structure with low internal resistance, prevention of internal short circuit, and improved welding strength between a current collector plate and an uncoated region, a battery pack including the same, and an automobile can be provided.
  • the present invention can provide a cylindrical battery having a diameter-to-height ratio of 0.4 or more and a resistance of 4 mohm or less, a battery pack including the cylindrical battery, and a vehicle.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체, 배터리, 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 조립체에 있어서, 제1전극의 장변 단부에 구비된 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함한다. 상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함한다. 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측에서 하나 이상의 분절편 정렬부를 구성한다. 상기 분절편 정렬부에 포함된 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점들 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는다.

Description

전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전극 조립체, 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 11월 19일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2021-0160823호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지, 즉, 단위 배터리의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 전지 하우징은 당업계에서 전지 캔으로 불린다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 전극 단자는 전지 하우징이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865(직경:18mm, 높이:65mm)나 2170(직경:21mm, 높이:70mm)의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전체를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)가 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다. 장변은 x축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)과 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a,11a)에 집전체(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전체(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리에서, 무지부(10a,11a)와 집전체(30,31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a,11a)의 용접 영역에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다.
그런데, 무지부(10a,11a)의 용접 영역을 절곡시킬 때 무지부(10a,11a)의 모양이 불규칙하게 일그러지면서 변형될 수 있다. 이 경우, 변형된 부위가 반대 극성의 전극과 접촉하여 내부 단락을 일으키거나 무지부(10a,11a)에 미세한 크랙을 유발할 수 있다. 또한 전극 조립체(A)의 코어에 인접한 무지부(32)가 절곡되면서 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)을 전부 또는 상당 부분을 폐색한다. 이 경우, 전해액 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)은 전해액이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해액 주입이 어렵다. 또한, 전해액 주입기가 공동(33)에 삽입되는 과정에서 코어 근처의 무지부(32)와 간섭을 일으켜 무지부(32)가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전체(30, 31)가 용접되는 무지부(10a, 11a)의 절곡 부위는 여러 겹으로 중첩되어 있어야 한다. 그래야만, 충분한 용접 강도를 얻을 수 있고 레이저 용접 등의 최신 기술을 사용하더라도 레이저가 전극 조립체(A) 내부로 침투하여 분리막이나 활물질을 융발시키는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 전극 조립체(A)의 무지부(10a, 11a)가 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역은 권취축 방향으로 전해질이 통과할 수 있는 틈이 거의 없다. 무지부(10a, 11a)가 절곡되는 과정에서 권취 직후에 존재하고 있었던 권회턴 사이의 틈들이 대부분 사라지기 때문이다. 따라서, 무지부(10a, 11a)의 단부 전체를 절곡시킨 구조는 전해질 함침 시간을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 무지부에 가해지는 응력 스트레스를 완화할 수 있도록 개선된 무지부 구조를 가진 전극 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 무지부가 절곡되더라도 전해질 주입 통로가 폐색되지 않은 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전지 하우징의 상단이 비딩될 때 전극 조립체의 상단 가장자리와 전지 하우징의 내면이 접촉되는 것을 방지할 수 있는 구조를 포함하는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 용접 영역의 물성을 개선한 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극 조립체에 대한 집전체의 용접이 안정적으로 이루어질 수 있는 구조의 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 복수의 분절편들을 국소적인 영역에서 반경 방향으로 배열시킴으로써 전해질 함침 특성이 개선된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 복수의 분절편들이 국소적인 영역에서 반경 방향으로 배열될 때 전극의 두께 공차에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하더라도 집전체의 용접 라인을 안정적으로 확보할 수 있는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 단자 및 집전체를 포함하는 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주를 정의한 전극 조립체이다.
상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함할 수 있다. 상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함할 수 있다. 상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측에서 하나 이상의 분절편 정렬부를 구성할 수 있다.
상기 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고, 상기 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cp로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않을 수 있다.
상기 분절편 정렬부는 n개이고, 상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 이격되어 있을 수 있다.
상기 n은 2 내지 9일 수 있다.
동일한 권회턴에 n개의 분절편 그룹이 배치되고, 상기 n개의 분절편 그룹은 권취 방향을 따라 실질적으로 등간격으로 배치될 수 있다.
상기 C1 내지 Cp의 50% 이상은 상기 정렬 라인을 기준으로 상기 전극 조립체의 권취 방향으로 회전된 상태일 수 있다.
상기 C1 내지 Cp의 50% 이상은 상기 정렬 라인을 기준으로 상기 전극 조립체의 권취 방향과 반대 방향으로 회전된 상태일 수 있다.
상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 회전 대칭 각도는 40도, 45, 60도, 72도, 90도, 120도 또는 180도일 수 있다.
상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 점대칭으로 배치될 수 있다.
상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다.
상기 분절편 정렬부는 권취 축 방향에서 보았을 때 상기 코어와 인접한 내측 원호, 상기 외주면과 인접한 외측 원호 및 각 분절편 그룹이 위치한 권회턴 원호의 단부를 상기 코어 측으로부터 상기 외주 측으로 연결한 2개 라인으로 이루어진 기하학적 형상을 가질 수 있다.
상기 기하학적 형상은 부채꼴 형상일 수 있다.
상기 2개 라인은 각각 비선형적으로 연장될 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 p개의 분절편 그룹이 상기 코어측을 향해 절곡되어 형성된 절곡 표면영역을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 절곡 표면영역에 용접된 집전체를 더 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취 축방향에서 보았을 때 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들은 상기 집전체의 용접 라인 및, 선택적으로, 이것으로부터 동일한 폭으로 연장된 가상의 라인과 교차할 수 있다.
상기 용접 라인의 폭은 1mm 이상일 수 있다.
상기 권회턴 원호들의 C1 내지 Cp가 상기 정렬 라인 상에 위치하도록 상기 권회턴 원호들을 가상으로 회전시켰을 때 상기 권회턴 원호들은 부채꼴 형상으로 배열되고, 상기 정렬 라인을 기준으로 상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹 단부의 최대 회전 각도 θmax, 상기 부채꼴 형상의 원주각 θdesign 및 상기 용접 라인이 교차하는 권회턴 원호의 1/2에 대한 원주각 중 최대값을 θweld,max라고 정의할 때, 하기 관계식이 충족될 수 있다.
θdesign > θmax + θweld,max
상기 θweld,max는 하기 수식에 의해 결정되는 값일 수 있다.
θweld,max = (360°*0.5*darc)/(2πr)
(여기서, darc는 상기 용접 라인이 교차하는 권회턴 원호의 길이 중에서 최대값이고, r은 상기 코어의 중심을 기준으로 한 해당 권호턴 원호의 반경임)
일 측면에서, 상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±1um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 38도보다 클 수 있다.
다른 측면에서, 상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±2um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 68도보다 클 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±3um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 100도보다 클 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±4um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 132도보다 클 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±5um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 176도보다 클 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부들 사이에 상기 제1활물질부의 권취 축 방향 단부가 반경 방향으로 인접하는 분리막들의 단부 사이에서 노출된 전해질 함침부를 포함할 수 있다.
상기 전해질 함침부의 수는 n개이고, 상기 전해질 함침부는 상기 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 권취 방향을 따라 상기 제1무지부와 상기 활물질층과의 경계 영역을 덮는 절연층을 더 포함하고, 상기 절연층과 상기 분리막 사이에 갭이 구비될 수 있다.
상기 제2전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 권취 축 방향을 따라 상기 제1무지부와 대향하도록 상기 분리막의 외부로 노출된 제2무지부를 포함할 수 있다. 상기 제2무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함할 수 있다. 상기 제2무지부의 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측부에서 하나 이상의 분절편 정렬부를 구성할 수 있다. 상기 제2무지부의 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 q개(q는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고, 상기 q개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cq로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cq 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않을 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전극 조립체는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주를 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고, 상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측에서 복수의 분절편 정렬부를 구성하고, 상기 복수의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 분절편 정렬부의 각각은 상기 권취 축 방향에서 보았을 때 비대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고, 상기 비대칭 구조는, 상기 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cp로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는 구조일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 배터리는, 상술한 특징들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 전극 조립체; 개방 단부와 폐쇄 단부를 포함하고, 상기 개방 단부를 통해 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 하우징; 상기 전지 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함할 수 있다.
상기 배터리는, 상기 절곡 표면영역과 전기적으로 결합된 집전체를 더 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취 축방향에서 보았을 때 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들은 상기 집전체의 용접 라인 및, 선택적으로, 이것으로부터 연장된 가상의 라인과 교차할 수 있다.
상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고, 상기 공동은 상기 절곡 표면영역에 의해 폐색되지 않고 외부로 개방될 수 있다.
상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 개방 단부를 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 개방 단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며, 상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트일 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제1극성을 띠는 제2전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함하고, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 개방 단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고, 상기 전지 하우징은 폐쇄 단부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는 복수의 상술한 배터리를 포함하는 배터리 팩에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리는 높이 대비 직경의 비율이 0.4 보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리의 폼 팩터는 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리의 저항은 4 miliohm 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 분절편들을 국소적인 영역에서 반경 방향으로 배열시킴으로써 전극 조립체의 함침 특성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 복수의 분절편들이 국소적인 영역에서 반경 방향으로 배열될 때 전극의 두께 공차에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하더라도 집전체의 용접 라인을 안정적으로 확보할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전체의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전체가 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해액 주입 공정과 전지 하우징(또는 단자)과 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전체와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상이며 저항이 4 miliohm 이하인 원통형 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 있어서 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 전극이 권회되었을 때, 분절편의 폭이 정의되는 분절편의 하단이 형성하는 원호를 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc) 및 분절편이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6c는 분절편의 높이 가변 구간에서 분절편의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 6d는 분절편의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 다른 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 다른 구조에서 동일한 권회턴에 위치한 분절편 그룹들이 등간격으로 배치된 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따라 전극의 두께 공차가 0일 때 도 7a에 도시된 전극을 권취하여 제조된 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 7d는 본 발명의 실시예에 따라 전극의 두께 공차가 양수일 때 도 7a에 도시된 전극을 권취하여 제조된 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 7e는 본 발명의 실시예에 따라 전극의 두께 공차가 음수일 때 도 7a에 도시된 전극을 권취하여 제조된 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 7f는 본 발명의 실시예에 따라 전극의 두께 공차가 양수이고 권취 방향을 따라 전극의 두께 공차가 변할 때 도 7a에 도시된 전극을 권취하여 제조된 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 7g는 도 7f에 도시된 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들을 코어측으로 절곡시킨 상태에서 절곡 표면영역에 집전체를 용접시켰을 때 용접 라인의 배치 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 7h는 본 발명의 실시예에 따라 전극이 양의 두께 공차를 가질 때 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들이 시계 방향을 따라 최대 각도로 회전된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 7i는 본 발명의 실시예에 따라 전극이 음의 두께 공차를 가질 때 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들이 반시계 방향을 따라 최대 각도로 회전된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 7j는 본 발명의 실시예에 따라 용접 라인의 폭을 고려하여 분절편 정렬부의 원주각을 확장하는 개념을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예가 적용된 전극 조립체가 만족하는 수학적 관계식을 도출하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다양한 변형예에 따른 분절편 구조를 나타낸 도면이다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따라 분절편이 전극 조립체의 코어 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 11a는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 11b는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 11c는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 절곡 표면영역에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 자르되, 분절편 정렬부를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 자르되, 분절편 정렬부를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 자르되, 분절편 정렬부를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 자르되, 분절편 정렬부를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 자르되 분절편 정렬부에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역을 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 자르되 분절편 정렬부에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역을 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 자르되 분절편 정렬부에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역을 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 자르되 분절편 정렬부에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역을 통과하도록 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전판의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전판의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 23은 복수의 원통형 배터리들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 24는 도 23의 부분 확대도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 '동일'하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 해당 영역에서 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다. 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 하지만 본 발명이 전극 조립체의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 무지부는, 전극 조립체의 코어에 인접한 코어측 무지부, 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부, 코어측 무지부 및 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함한다.
바람직하게, 코어측 무지부와 외주측 무지부 중 적어도 하나는 중간 무지부보다 높이가 상대적으로 낮다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극(60)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 실시예의 전극(60)은 금속 포일로 이루어진 집전체(41) 및 활물질층(42)을 포함한다. 금속 포일은 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(60)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 집전체(41)의 적어도 일면에 활물질층(42)은 형성된다. 활물질층(42)은 권취 방향(X)을 따라 형성된다. 전극(60)은 권취 방향(X)의 장변 단부에 무지부(43)를 포함한다. 무지부(43)는 활물질이 코팅되지 않은 집전체(41)의 일부 영역이다. 활물질층(42)이 형성된 집전체(41)의 영역은 활물질부라고 명명될 수 있다.
전극(60)에 있어서, 집전체(41)의 단변 방향에서 활물질부의 폭은 50mm 내지 120mm일 수 있고, 집전체(41)의 장변 방향에서 활물질부의 길이는 3m 내지 5m일 수 있다. 따라서, 활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1.0% 내지 4.0%일 수 있다.
바람직하게, 전극(60)에 있어서, 집전체(41)의 단변 방향에서 활물질부의 폭은 60mm 내지 70mm일 수 있고, 집전체(41)의 장변 방향에서 활물질부의 길이는 3m 내지 5m일 수 있다. 따라서, 활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1.2% 내지 2.3%일 수 있다.
활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리에서 사용되는 전극의 활물질부의 장변 대비 단변 비율 6% 내지 11% 수준보다 현저하게 작다.
바람직하게, 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계에는 절연 코팅층(44)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 적어도 일부가 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(44)은 분리막을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극 사이의 단락을 방지한다. 절연 코팅층(44)은 0.3mm 내지 5mm의 폭으로 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계 부분을 덮을 수 있다. 절연코팅층(44)의 폭은 전극(60)의 권취 방향을 따라 그 폭이 가변될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 고분자 수지를 포함하고, SiO2, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다. 절연 코팅층(44)이 덮고 있는 집전체(41) 부분은 활물질층이 코팅된 영역이 아니므로 무지부로서 간주될 수 있다.
무지부(43)는 전극 조립체의 코어측과 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체의 외주측과 인접한 외주측 무지부(B3), 및 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3) 사이에 개재된 중간 무지부(B2)를 포함한다.
코어측 무지부(B1), 외주측 무지부(B3) 및 중간 무지부(B3)는 전극(40)이 젤리롤 타입의 전극 조립체로 권취되었을 때 각각 코어 측에 인접한 영역의 무지부, 외주측에 인접한 영역의 무지부, 및 이들을 제외한 나머지 영역의 무지부로서 정의될 수 있다.
이하, 코어측 무지부(B1), 외주측 무지부(B3) 및 중간 무지부(B2)는 각각 제1부분, 제2부분 및 제3부분으로 명명한다.
일 예에서, 제1부분(B1)는 최내측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부이고, 제2부분(B3)은 최외측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부일 수 있다. 권회턴은 전극 조립체의 코어측 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 예에서, B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측으로부터 외주측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 5%, 10%, 15% 지점 등)으로 적절하게 정의될 수 있다.
B2/B3의 경계는 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 85%, 90%, 95% 지점 등)으로 정의될 수 있다. B1/B2의 경계와 B2/B3의 경계가 특정되면 제3부분(B2)는 자동으로 특정될 수 있다.
만약, B1/B2의 경계만 특정되는 경우 B2/B3의 경계는 전극 조립체의 외주측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 일 예에서, 제2부분은 최외측 권회턴을 구성하는 전극 영역의 무지부로 정의될 수 있다. 반대로, B2/B3의 경계만 특정되는 경우 B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 일 예에서, 제1부분(B1)은 최내측 권회턴을 구성하는 전극 영역의 무지부로 정의될 수 있다.
제1부분(B1)과 제3부분(B2) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다. 또한, 제3부분(B2)과 제2부분(B3) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다.
무지부(43)의 높이는 일정하지 않고 권취 방향(X)에서 상대적인 차이가 있다. 즉 제2부분(B3)의 높이(Y축 방향의 길이)는 0 이상이되 제1부분(B1) 및 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 여기서, 각 부분의 높이는 평균 높이 또는 최대 높이일 수 있으며 이하 동일하다. 권취 방향에서, 제3부분(B2)은 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)보다 길이가 더 길다.
전극(60)은 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 무지부를 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체의 코어를 가리지 않는 조건을 적용하여 설계한다. 코어는 전극 조립체의 권취 중심에 존재하는 공동(cavity)을 의미한다.
일 예에서, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 코어와 가장 인접한 무지부의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다.
바람직하게, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭이 코어와 가장 인접한 무지부 영역의 절곡 길이 이상이 되도록 설정할 수 있다. 변형예에서, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 코어와 가장 인접한 무지부 영역의 절곡 길이로부터 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭을 차감한 값이 0보다 작거나 코어 반경의 10% 이하가 되도록 설정할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(60)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 코어와 가장 인접한 무지부 영역의 절곡 길이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
제3부분(B2)의 무지부는 적어도 일부 구간이 복수의 분절편(61)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다. 대안적으로, 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 동일하게 유지될 수 있다. 복수의 분절편(61)은 하부에서 상부로 가면서 폭이 감소되는 기하학적 도형 형태를 가진다. 바람직하게, 기하학적 도형은 사다리꼴이다. 후술하겠지만, 기하학적 도형의 형태는 사각형, 평형사변형 등 여러 가지로 변형이 가능하다.
분절편(61)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(61)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
무지부(43)의 절곡 가공시 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(61) 사이의 절단홈 하단(도 5의 G)과 활물질층(42) 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(43)가 절곡될 때 절단홈(63) 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 전극(60)의 권취 방향을 따라 가변될 수 있다. 갭은 0.2mm 내지 4mm, 바람직하게는 1.5mm 내지 2.5mm인 것이 바람직하다. 갭은 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(43)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단홈(63) 하단 근처의 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편(61)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)의 손상을 방지할 수 있다. 권취 방향과 평행한 일 방향에서, 갭은 실질적으로 동일할 수도 있고, 가변될 수도 있다. 후자의 경우, 복수의 분절편은 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 개별적으로, 그룹 단위로, 또는 2개 이상의 그룹 단위로 갭이 가변될 수 있다. 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44)은 0.5mm 내지 2.0mm 이격될 수 있다. 권취 방향과 평행한 일 방향에서, 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44)의 이격 거리는 실질적으로 동일하거나 가변될 수 있다. 후자의 경우, 복수의 분절편은 상기 이격 거리가 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 개별적으로, 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 가변될 수 있다. 전극(60)이 권취될 때, 절연 코팅층(44)의 권취 축(Y) 방향의 단부는 분리막의 단부를 기준으로 권취 축 방향을 따라 -2mm 내지 2mm의 범위에 위치할 수 있다. 절연 코팅층(44)은 분리막을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극간의 단락을 방지하고 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점을 지지할 수 있다. 두 전극간의 단락 방지 효과를 향상시키기 위해 절연 코팅층(44)은 분리막의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 두 전극간의 단락 방지 효과를 더욱 극대화하기 위해 절연 코팅층(44)의 권취 축(Y) 방향의 단부가 절단홈(63)의 하단보다 위에 위치하도록 절연 코팅층(44)의 폭을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 절연 코팅층(44)의 권취 축 방향의 단부는 상기 절단홈(63)의 하단을 기준으로 -2mm 내지 +2mm의 범위 내에 위치할 수 있다. 절연 코팅층(44)의 두께는 활물질층보다 얇을 수 있다. 이 경우, 절연 코팅층(44)의 표면과 분리막 사이에는 유격이 존재할 수 있다.
일 측면에서, 복수의 분절편(61)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치 중 적어도 하나 이상은 실질적으로 동일할 수 있다. 바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치는 서로 동일할 수 있다.
바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭 및 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 분절편은 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 이격 피치가 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 이격 피치가 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44) 또는 활물질층(42) 사이의 갭이 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44) 또는 활물질층(42) 사이의 갭이 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
도 5는 사다리꼴 분절편(61)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)의 정의를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 분절편(61)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
분절편(61)의 절곡은 절단홈(63)의 하단을 통과하는 라인(G) 또는 그 상부에서 이루어진다. 절단홈(63)은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편(61)의 스무드하고 용이한 절곡을 가능하게 한다.
분절편(61)의 폭(D)은 분절편(61)의 양측 측변(63b)로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)의 최상단 변과 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(61)의 이격 피치(P)는 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(63a)와 연결된 2개의 측변(63b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(63b) 및/또는 저부(63a)가 곡선일 때, 직선은 측변(63b) 및 저부(63a)가 만나는 교차점에서 측변(63b) 및/또는 저부(63a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(61)의 폭(D)은 1mm 이상이다. D가 1mm 미만이면, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 폭(D)은 분절편(61)이 전극 조립체의 코어측을 향해 절곡될 때 분절편(61)의 중첩이 반경 방향으로 잘 이루어지도록 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경에 따라 폭(D)을 적응적으로 조절할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 전극(60)이 권회되었을 때, 분절편(61)의 폭(D)이 정의되는 분절편(61)의 하단(도 5의 선분 Dab)이 형성하는 원호(A1A2)를 전극 조립체의 코어 중심(O)을 기준으로 도시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 원호(A1A2)는 분절편(61)의 폭(D)에 대응되는 길이를 가지며, 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 원주각(Φ)를 가진다. 원주각(Φ)는 원호(A1A2)를 통과하는 권회 축과 수직인 평면 상에서 원호(A1A2)의 양쪽 끝단과 코어 중심(O)을 연결한 두 선분 사이의 각도로 정의될 수 있다.
분절편(61)의 원호(A1A2) 길이가 동일할 때, 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 원주각(Φ)은 감소한다. 반대로, 분절편(61)의 원주각(Φ)가 동일할 때, 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 원호(A1A2)의 길이는 비례적으로 증가한다.
원주각(Φ)은 분절편(61)의 절곡 품질에 영향을 미친다. 도면에서, 실선 화살표는 분절편(61)을 절곡시키기 위해 가해지는 힘의 방향을 나타내고 점선 화살표는 분절편(61)이 절곡되는 방향을 나타낸다. 절곡 방향은 코어 중심(O)을 향하는 방향이다.
분절편(61)의 원주각(Φ)은 절곡의 균일성을 향상시키고 크랙 발생을 방지하기 위해 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)에 따라서 45도 이하, 바람직하게는 30도 이하일 수 있다.
일 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조 립체의 반경 방향을 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 다른 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조 립체의 반경 방향을 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가하가나 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있고, 그 반대의 경우(vice versa)도 가능하다. 또 다른 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 실질적으로 동일할 수 있다.
실험에 의하면, 분절편(61)의 원주각(Φ)이 45도를 초과하면 분절편(61)의 절곡 모양이 균일해지지 않는다. 분절편(61)의 가운데 부분과 사이드 부분에 가해지는 힘의 차이가 커져서 분절편(61)의 눌림이 원주 방향에서 균일해지지 않는 것이다. 또한, 절곡의 균일성을 위해 누르는 힘을 증가시키면 절단홈(63) 근처의 무지부(43)에서 크랙이 생길 가능성이 있다.
일 실시예에서, 전극(60)에 포함된 분절편(61)들의 원주각(Φ)은 실질적으로 동일하고, 분절편(61)의 폭은 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 비례적으로 증가할 수 있다. 실질적 동일하다는 것은 완전히 동일하거나 5% 미만의 편차가 있음을 의미한다.
예를 들어, 전극 조립체의 반경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm이고 반경 7mm인 지점에 위치하는 권회턴부터 분절편(61)이 배치되기 시작할 때, 분절편(61)들의 원주각(Φ)이 28.6도로 일정할 경우 분절편(61)의 폭(D)은 다음 표 1과 같이 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)에 따라 비례적으로 증가할 수 있다. 즉, 분절편(61)의 폭은 권회턴의 반경(r)이 1mm씩 증가할 때마다 0.5mm씩 실질적으로 동일한 비율로 증가할 수 있다.
권회턴
반지름(mm)		 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0
분절편폭(D,mm) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0
원주각(degree) 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6
바람직하게, 전극 조립체의 코어 중심(O)을 기준으로 반경이 r인 권회턴에 위치한 분절편(61)의 폭 D(r)은 다음 수식 1을 만족하는 범위에서 결정될 수 있다.
<수식 1>
1 ≤ D(r) ≤ (2*π*r/360°)*45°
바람직하게, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm의 범위에서 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가했다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm의 범위에서 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가했다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 분절편(61)의 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 분절편(61)의 폭 D(r)이 변화하는 비율은 동일하거나 다를 수 있다.
또 다른 측면에서, 분절편(61)의 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm 범위에서 분절편(61)의 폭 D(r)이 변화하는 비율은 동일하거나 다를 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 분절편(61)의 높이(H)는 2mm 이상일 수 있다. D2가 2mm 미만이면, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)이 코어 측으로 절곡되었을 때 코어를 차폐하지 않는 조건을 적용하여 결정할 수 있다. 바람직하게, 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있도록 분절편(61)의 높이(H)를 조절할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경과 코어의 반경에 의존하여 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 분절편(61)의 높이(H)가 권회턴의 반경이 증가함에 따라 h1 내지 hN까지 N 단계에 걸쳐서 단계적으로 증가한다고 할 때 분절편(61)의 k번째 높이 hk(k는 1 내지 N의 자연수), 높이 hk를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경을 rk, 코어의 반경을 rc 라고 할 때, 다음 수식 2가 충족되도록 분절편(61)의 높이 h1 내지 hN이 결정될 수 있다.
<수식 2>
2mm≤ hk ≤ rk - α*rc(바람직하게, α는 0.90 내지 1)
분절편(61)의 높이(hk)가 수식 2를 충족하면, 분절편(61)이 코어 측으로 절곡되더라도 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다.
일 예에서, 전극(60)의 전체 권회턴 반경이 22mm이고, 분절편(61)의 높이가 3mm부터 시작하되, 분절편(61)을 포함하는 권회턴의 반경이 1mm 증가할 때마다 분절편(61)의 높이가 3mm, 4mm, 5mm, 6mm로 순차적으로 증가하고, 나머지 권회턴에서는 높이가 6mm로 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 즉, 전체 권회턴의 반경 중에서 분절편(61)의 높이 가변 구간의 반경 방향 폭은 3mm이고 나머지 반경 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
이 경우, 전극 조립체 코어의 반경(rc)에 따라서 3mm, 4mm, 5mm 및 6mm의 높이를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3, r4는, α가 1이고 우측 부등식에서 등호 조건이 적용되었을 때, 다음 표 2와 같을 수 있다.
분절편 높이(mm)
항목 3(h1) 4(h2) 5(h3) 6(h4)
코어반경
(rc)
(mm)		 2 5(r1) 6(r2) 7(r3) 8(r4)
2.5 5.5(r1) 6.5(r2) 7.5(r3) 8.5(r4)
3 6(r1) 7(r2) 8(r3) 9(r4)
3.5 6.5(r1) 7.5(r2) 8.5(r3) 9.5(r4)
4 7(r1) 8(r2) 9(r3) 10(r4)
분절편(61)들이 표 2에 나타낸 반경 위치에 배치될 때, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되더라도 분절편(61)에 의해 코어가 차폐되지 않는다. 한편, 표 2에 나타낸 r1, r2, r3, r4는 α 값에 따라서 코어 측으로 쉬프트될 수 있다. 일 예에서, α가 0.90일 때, r1, r2, r3, r4는 코어 반경의 10%만큼 코어 측으로 쉬프트될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 코어 반경의 10%가 분절편(61)에 의해 차폐된다. 표 2에 나타낸 r1, r2, r3, r4는 분절편(61)이 시작되는 위치의 리미트 값이다. 따라서, 분절편(61)의 위치는 표 2에 나타낸 반경보다 외주측으로 소정 거리 쉬프트될 수 있다.도 6b는 분절편(61)의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc), 분절편(61)이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
표 2와 도 6b를 함께 참조하면, 예를 들어 코어(C)의 변경(rc)이 3m일 때, 3mm(h1), 4mm(h2), 5mm(h3) 및 6mm(h4)의 높이를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3 및 r4는 각각 6mm, 7mm, 8mm 및 9mm일 수 있으며, 반경 9mm부터 마지막 권회턴까지는 분절편(61)의 높이가 6mm로 유지될 수 있다. 또한, 6mm(r1) 보다 작은 반경을 가진 권회턴에는 분절편(61)이 포함되지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 코어(C)와 가장 인접한 높이 3mm(h1)의 분절편(61)이 반경 6mm를 가진 권회턴부터 위치하므로 해당 분절편(61)이 코어(C)측으로 절곡되더라도 3mm 내지 6mm의 반경 구간만을 덮어서 실질적으로 코어(C)를 차폐하지 않는다. 수식 2의 α값에 따라, 분절편(61)의 위치는 코어 반경(rc)의 10% 이내에서 코어(C)측으로 쉬프트될 수 있다.
다른 실시예에서, 분절편(61)의 높이는 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치한 권회턴의 시작 반경 r이 증가함에 따라 동일 또는 상이한 비율로 증가할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 높이(H)는 수식2를 만족하면서 동시에 분절편(61)의 최대 높이가 제한될 수 있다.
도 6c는 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 6c를 참조하면, 전극 조립체의 권회 구조에서 분절편(61)을 포함하는 전극(E1)은 반경 방향에서 분리막(S)을 사이에 두고 반대 극성의 전극(E2)과 대향하고 있다. 전극(E1)의 양면에는 활물질층(E1,active)이 코팅되어 있고, 전극(E2)의 양면 또한 활물질층(E2,active)이 코팅되어 있다. 전기적 절연을 위해, 분리막(S)의 단부(Send)는 전극(E2)의 단부(E2,end)로부터 절연 갭(Wgap)에 대응하는 길이로 외측으로 더 연장될 수 있다. 또한, 전극(E1)의 단부는 전기적 절연을 위해 전극(E2)의 단부보다 외측으로 더 연장되지 않는다. 따라서, 무지부(43)의 하단에는 절연 갭(Wgap)에 대응하는 구간이 확보되어야 한다. 또한, 전극(E1, E2)과 분리막(S)이 권회될 때, 분리막(S)의 단부(Send)가 사행(meandering)을 일으킨다. 따라서, 분절편(61)이 분리막(S)의 외측으로 노출되기 위해서는 분리막(S)의 최소 사행 마진에 해당하는 구간(Wmargin,min)이 무지부(43)에 할당되어야 한다. 또한, 분절편(61)을 커팅하기 위해서는 집전체 포일의 단부에 최소한의 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)이 할당되어야 한다. 따라서, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 최대 높이(hmax)는 다음 수식 3에 의해 결정될 수 있다. 수식 3에 있어서, Wfoil은 집전체 포일이 커팅되기 전의 집전체 포일의 폭에 해당한다.
<수식 3>
hmax = Wfoil - Wscrap,min- Wmargin,min - Wgap
바람직하게, 상기 절연 갭 Wgap은 상기 제1전극이 양극일 때 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 또한, 상기 절연 갭 Wgap은 상기 제1전극이 음극일 때 0.1mm 내지 2mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 절단 최소 스크랩 마진 Wscrap,min은 1.5mm 내지 8mm일 수 있다. 최소 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)은 분절편(61)을 형성하는 공정에 따라 할당되지 않을 수 있다. 예를 들어, 분절편(61)의 상부변과 집전체 포일의 상부변이 서로 일치하도록 절단홈(63)을 형성할 수 있다. 이 경우, 수식 3에 있어서, Wscrap,min은 0이 될 수 있다.
바람직하게, 상기 분리막의 최소 사행 마진 Wmargin,min은 0 내지 1mm일 수 있다.
일 예에서, 최소한의 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)은 1.5mm이고, 분리막(S)의 최소 사행 마진(Wmargin,min)은 0.5mm일 수 있다. 이러한 조건에서, 분절편(61)을 형성하기 전의 집전체 포일 폭(Wfoil)이 8mm 내지 12mm이고, 절연 갭(Wgap)이 0.6mm, 0.8mm 및 1.0mm일 때, 상기 수식 3을 이용하여 분절편(61)의 최대 높이(hmax)를 계산한 결과는 다음 표 3과 같다.
　항목 분리막↔음극 Gap(㎜)
0.6 0.8 1
집전체
포일 폭
(㎜)
　
　
　		 8 5.4 5.2 5
9 6.4 6.2 6
10 7.4 7.2 7
11 8.4 8.2 8
12 9.4 9.2 9
상기 표 3을 참작할 때, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 최대 높이(hmax)는 10mm로 설정할 수 있다. 따라서, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 높이는 수식 2를 충족함과 동시에 2mm 내지 10mm 구간에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다.다시 도 5를 참조하면, 분절편(61)의 이격 피치(P)는 0.05 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. 이격 피치(P)가 0.05mm 미만이면, 전극(60)이 권취 공정 등에서 주행될 때 응력에 의해 절단홈(63)의 하단 근처에서 무지부(43)에 크랙이 생길 수 있다. 반면, 이격 피치(P)가 1mm를 초과하면 분절편(61)이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)들이 서로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생할 수 있다.
한편, 전극(60)의 집전체(41)가 알루미늄으로 이루어질 경우, 이격 피치(P)는 0.5mm 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 전극(60)이 권취 공정 등에서 300gf 이상의 장력(tension) 하에서 100mm/sec 이상의 속도로 주행하더라도, 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
실험 결과에 따르면, 전극(60)의 집전체(41)가 15um 두께의 알루미늄 포일이고, 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 상기 주행 조건 하에서 전극(60)이 주행되었을 때 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기지 않는다.
도 5에 도시된 것처럼, 권취 방향(X)으로 인접하는 2개의 분절편(61) 사이에는 절단홈(63)이 개재된다. 절단홈(63)은 무지부(43)가 제거되면서 생긴 공간에 해당한다. 바람직하게, 절단홈(63) 하부 양단의 모서리 부분은 라운드 모양을 가진다. 즉, 절단홈(63)은 실질적으로 평평한 저부(63a)와 라운드부(63c)를 포함한다. 라운드부(63c)는 저부(63a)와 분절편(61)의 측변(63b)을 연결한다. 변형 예에서, 절단홈(63)의 저부(63a)는 원호 모양으로 대체될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)의 측변(63b)들은 저부(63a)의 원호 형상에 의해 부드럽게 연결될 수 있다.
라운드부(63c)의 곡률 반경은 0 초과 0.5mm 이하, 바람직하게는 0 초과 0.1mm 이하, 보다 바람직하게 0.01mm 내지 0.05m일 수 있다. 라운드부(63c)의 곡률 반경이 상기 수치범위를 충족할 때, 전극(60)이 권취 공정 등에서 주행되는 동안 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 일 예에서, 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 하부 내각(θ)은 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선과 분절편(61)의 측부(53b)로부터 연장된 직선 사이의 각도이다. 분절편(61)이 좌우 대칭일 때 좌측과 우측의 하부 내각(θ)은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체의 반경이 증가하면 곡률 반경이 증가한다. 만약, 분절편(61)의 하부 내각(θ)이 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 함께 증가하면 분절편(61)이 절곡될 때 반경 방향 및 원주 방향으로 생기는 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 하부 내각(θ)이 증가하면, 분절편(61)이 절곡되었을 때 안쪽의 분절편(61)과 중첩되는 면적 및 중첩 레이어 수도 함께 증가함으로써 반경 방향 및 원주 방향에서 용접 강도를 균일하게 확보할 수 있고 절곡 표면영역을 평탄하게 형성할 수 있다.
바람직하게, 하부 내각(θ)은 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반지름과 분절편(61)의 폭(D)에 의해 결정될 수 있다.
도 6d는 분절편(61)의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6d를 참조하면, 분절편(61)의 측변은 분절편(61)의 폭(D)에 대응되는 선분 AD의 양쪽 끝점인 A 및 D와 코어 중심(E)을 연결하는 선분 AE 및 선분 DE와 일치하는 것이 이상적이다.
분절편(61)의 측변이 가장 이상적인 방향으로 연장될 때, 분절편(61)의 하부 내각(θrefer)은, 선분 EF가 선분 AE 및 선분 DE와 근사적으로 동일하다고 가정할 때, 하기 수식 4를 이용하여 분절편(61)의 폭(D)과 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반지름(r)로부터 근사적으로 결정될 수 있다.
<수식 4>
Figure PCTKR2022010562-appb-img-000001
수식 4의 각도는 분절편(61)의 하부 내각(θrefer)에 대한 이상적인 기준 각도이다. 한편, 동일한 권회턴에 위치한 인접하는 분절편(61) 사이에는 이격 피치(P)가 존재한다. 이격 피치(P)의 길이는 p로 나타냈다. 이격 피치(P)가 인접하는 분절편(61) 사이에 존재하므로, 하부 내각(θ)에 대해 이격 피치(p)의 50%만큼 공차를 부여할 수 있다. 즉, 분절편(61)의 윗변 BC의 폭은 윗변 B'C'까지 최대 p/2만큼 증가될 수 있다. 공차가 반영된 하부 내각(θ')은 다음 수식 5로 나타낼 수 있다. 하부 내각(θrefer)는 이상적인 기준 각도 ∠BAG이고, 하부 내각(θ')는 이격 피치(p)에 따른 공차가 반영된 각도 ∠B'AG'이다. 수식 5에서, H는 분절편(61)의 높이이고, p는 이격 피치에 해당한다.
<수식 5>
Figure PCTKR2022010562-appb-img-000002
바람직하게, 전극 조립체의 각 권회턴에 위치한 분절편(61)의 하부 내각(θ)는 다음 수식 6을 만족할 수 있다. 그러면, 분절편(61)들이 전극 조립체의 코어 중심을 향해 절곡될 때 원주 방향으로 인접하는 분절편(61)들이 서로 간섭을 일으키지 않고 절곡이 원활하게 이루어질 수 있다.
<수식 6>
Figure PCTKR2022010562-appb-img-000003
일 예에서, 전극(60)이 직경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm인 권회 구조를 형성하는 경우, 분절편(61)의 하부 내각은 높이 가변 구간에서 60도 내지 85도 구간에서 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
또 다른 예에서, 복수의 분절편(61)은 하나 또는 2개 이상의 그룹 단위로 코어측으로부터 외주측으로 가면서 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
한편, 분절편(61)의 좌측 하부 내각 및 우측 하부 내각이 동일하지 않을 수 있다. 그럼에도, 어느 일 측의 하부 내각(θ)이 상술한 수식 6을 만족하도록 설계될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 분절편(61)을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체의 코어가 그것의 직경을 기준으로 90% 이상 외부로 개방되도록 설계한다. 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 그룹1의 분절편(61)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점부터 분절편(61)의 상단변까지의 길이에 해당한다. 바람직하게, 전극(60)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 그룹1에 포함된 분절편(61)의 높이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
분절편(61)의 절곡 지점은 절단홈(63)의 하단을 통과하는 라인 또는 그 라인으로부터 상부로 소정 거리 이격된 지점에 설정될 수 있다. 절단홈(63)의 하단으로부터 소정 거리 이격된 지점에서 분절편(61)이 코어측으로 절곡되면 반경 방향으로의 분절편 중첩이 보다 잘 이루어진다. 분절편(61)들이 절곡될 때 코어의 중심을 기준으로 바깥쪽에 있는 분절편이 안쪽에 있는 분절편을 누른다. 이 때, 절곡 지점이 절단홈(63)의 하단으로부터 소정 거리 이격되어 있으면, 안쪽의 분절편이 바깥쪽 분절편에 의해 권취 축 방향으로 눌리면서 분절편들의 중첩이 보다 잘 이루어진다. 절곡 지점의 이격 거리는 바람직하게 1mm 이하일 수 있다. 분절편의 최소 높이는 2mm이므로 최소 높이 대비 절곡 지점의 이격 거리의 비율은 50% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다. 여기서, 권회턴은 전극(60)이 권취된 상태에 있을 때 제1부분(B1)의 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 변형예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 적어도 하나 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치는 그룹 내에서 또는 인접하는 그룹 사이에서 점진적으로 및/또는 단계적으로 및/또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
그룹1 내지 그룹8은 제3부분(B2)에 포함되는 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수, 각 그룹에 포함되는 분절편(61)의 수, 및 그룹의 폭은 무지부(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 집전체와의 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(61)이 여러 겹으로 중첩되도록 바람직하게 조절될 수 있다.
분절편 그룹의 수가 하나일 때, 제3부분(B2)에서 분절편(61)의 높이는 균일할 수 있다.
제3부분(B2)의 분절구조는 제2부분(B3)까지 확장 가능하다(점선 참조). 이 경우, 제2부분(B3)도 제3부분(B2)와 마찬가지로 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2부분(B3)의 분절 구조는 제3부분(B2)의 최외측에 있는 분절편 그룹과 실질적으로 동일할 수 있다. 이 경우, 제2부분(B3)과 제3부분(B2)에 포함된 분절편들은 폭, 높이 및 이격 피치가 실질적으로 동일할 수 있다. 변형 예에서, 제2부분(B3)의 분절편은 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 제3부분(B2)보다 더 클 수 있다.
제3부분(B2)에 있어서 전극(60)의 권취 방향을 기준으로 분절편(61)의 높이가 단계적으로 증가하는 구간(그룹1 내지 그룹7)은 분절편의 높이 가변 구간으로 정의되고, 마지막에 있는 분절편 그룹(그룹 8)은 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간으로 정의될 수 있다.
즉, 제3부분(B2)에서, 분절편(61)의 높이가 h1 내지 hN까지 단계적으로 증가할 때, h1 내지 hN-1(N은 높이 인덱스로서, 2 이상의 자연수)의 높이를 가진 분절편(61)이 배치된 구간은 높이 가변 구간에 해당하고, hN의 높이를 가진 분절편(61)이 배치된 구간은 높이 균일 구간에 해당한다. 전극(60)의 권취 방향의 길이 대비 높이 가변 구간과 높이 균일 구간의 비율에 대해서는 구체적인 실시예들을 참조하여 후술하기로 한다.
전극(60)이 폼팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 180~350mm일 수 있다. 그룹1의 폭은 제1부분(B1)의 폭 대비 35~40%일 수 있다. 그룹2의 폭은 그룹1의 폭 대비 130~150%일 수 있다. 그룹3의 폭은 그룹2의 폭 대비 120~135%일 수 있다. 그룹4의 폭은 그룹 3의 폭 대비 85~90%일 수 있다. 그룹5의 폭은 그룹4의 폭 대비 120~130%일 수 있다. 그룹6의 폭은 그룹5의 폭 대비 100~120%일 수 있다. 그룹7의 폭은 그룹6의 폭 대비 90~120%일 수 있다. 그룹8의 폭은 그룹7의 폭 대비 115~130%일 수 있다. 제2부분(B3)의 폭(dB3)은 제1부분(B1)의 폭과 마찬가지로 180~350mm일 수 있다.
그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 제한되고 전극의 두께가 권취 방향으로 약간의 편차를 가지기 때문이다. 따라서, 특정 분절편 그룹에서는 분절편의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 그룹의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 상기의 예시처럼 불규칙한 변화 양상을 나타낼 수 있다.
즉, 전극 조립체의 원주 방향에서 연속해서 인접하는 3개의 분절편 그룹 각각에 대한 권취 방향의 폭을 각각 W1, W2 및 W3이라고 했을 때 W2/W1 보다 W3/W2가 작은 분절편 그룹의 조합을 포함할 수 있다.
상기 구체적인 예에서, 그룹4 내지 그룹6이 상기 케이스에 해당한다. 그룹4에 대한 그룹5의 폭 비율은 120~130%이고, 그룹5에 대한 그룹6의 폭 비율은 100~120%로서 그 값이 120~130%보다 작다.
전극(60)의 무지부(43)가 분절편 구조를 가질 때, 분절편 구간에 해당하는 제3부분(B2)은 도 7a에 도시된 바와 같이 권취 방향(X)을 따라 그룹간 이격 피치(Pg)를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹(61g)을 포함할 수 있다. 분절편 그룹(61g)에 포함되는 분절편(61)의 수는 적어도 하나 이상일 수 있다. 그룹간 이격 피치(Pg)에 대응되는 구간은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(64)에 해당한다.
그룹간 이격 피치(Pg)는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 분절편 생략 구간(64)에 존재하는 무지부의 높이는 제1부분(B1) 및/또는 제2부분(B3)의 높이와 대응할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 전극 조립체(JR)의 동일한 권회턴(k턴 또는 k+1턴)에 배치된 분절편 그룹(61g)들의 그룹간 이격 피치(Pg)는 실질적으로 동일하고, 권회턴이 k턴에서 k+1 턴으로 증가함에 따라 그룹간 이격 피치(Pg) 또한 점진적으로 증가할 수 있다.
그룹간 이격 피치(Pg)는, 도 7c에 도시된 바와 같이, 전극(60)이 권취되었을 때 전극 조립체(JR)의 코어 중심(C)을 기준으로 원주 방향을 따라 적어도 하나 이상의 분절편 정렬부(66)를 구성할 수 있도록 설정될 수 있다. 도면에서 점선은 권회턴을 모식적으로 나타낸 것이고, 굵은 실선은 권회턴에 배치된 분절편 그룹(61g)을 모식적으로 나타낸 것이다. 분절편 그룹(61g)은 하나 이상의 분절편(61)으로 분할되어 있을 수 있다. 도 7c에 도시된 구조는 전극 조립체(JR)의 양극측 구조이다. 하지만, 유사한 구조가 전극 조립체(JR)의 음극 측에도 적용될 수 있다.
분절편 정렬부(66)는 전극(60)이 권취될 때 분절편 그룹(61g)이 반경 방향으로 배열되는 구간이다. 분절편 정렬부(66)는 전극 조립체(JR)의 권취 축(Y) 방향과 수직인 일측 단부 및/또는 타측 단부에 형성된다.
분절편 정렬부(66)는 n개일 수 있다. n은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 또는 9일 수 있다. 분절편 정렬부(66)가 하나인 실시예도 배제되지 않는다.
분절편 정렬부(66)이 n개일 때, 동일한 권회턴에는 n개의 분절편 그룹(61g)이 배치될 수 있다. n개의 분절편 그룹(61g)은 권취 방향(X)을 따라 실질적으로 등간격으로 배치될 수 있다.
n개의 분절편 정렬부(66)는 코어(C)의 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다. 회전 대칭 각도는 40도, 45, 60도, 72도, 90도, 120도 또는 180도일 수 있다. 대안적으로, n개의 분절편 정렬부(66)는 코어(C)의 중심을 기준으로 점대칭으로 배치될 수 있다.
n개의 분절편 정렬부(66)는 전극 조립체(JR)의 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 방사상 연장 구조는 어떠한 영역이 코어측으로부터 외주측으로 가면서 원주 방향으로의 폭이 점진적 또는 단계적으로 증가하는 구조를 의미한다.
분절편 정렬부(66)는 권취 축 방향에서 보았을 때 전극 조립체(JR)의 코어측과 인접한 내측 원호(Arc1), 전극 조립체(JR)의 외주면과 인접한 외측 원호(Arc2) 및 각 분절편 그룹(61g)이 위치한 권회턴 원호의 단부를 코어측으로부터 외주측으로 연결한 2개의 라인(L1,L2)으로 이루어진 기하학적 형상을 가질 수 있다. 2개의 라인(L1, L2)은 직선일 수 있으나, 곡선 또는 이들의 조합일 수 있다. 후술하겠지만, 2개의 라인(L1, L2)는 반경 방향을 따라 비선형적이면서 불규칙한 변화 패턴을 가질 수 있다.
바람직하게, 분절편 정렬부(66)는 중앙부분이 제거된 부채꼴 모양일 수 있다. 분절편 정렬부(66)는 부채꼴 모양 이외에도 정사각형, 직사각형, 평형사변형, 사다리꼴 등의 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다.
분절편 정렬부(66)는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹(61g)을 포함할 수 있다. 각 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편 그룹(61g)의 수는 동일하거나 상이할 수 있다. 분절편 그룹(61g)의 수의 차이는 1 내지 3개일 수 있다.
p개의 분절편 그룹(61g)에 포함된 분절편(61)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 단계적으로 증가할 수 있다. 대안적으로, p개의 분절편 그룹(61g)에 포함된 분절편(61)의 높이는 반경 방향을 따라 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 앞서 설명된 분절편(61)의 폭, 높이 및 이격 피치에 관한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 전극(60)이 복수의 분절편 생략 구간(64)을 더 포함하는 점만 제외하고 나머지 구성은 전술한 실시예와 동일할 수 있다.
원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부(66)들 사이에는 전해질 함침부(55)가 구비될 수 있다. 전해질 함침부(55)는 코어(C)의 중심을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다.
전해질 함침부(55)는 권취 방향(x)으로 인접하는 분절편 그룹(61g)들 사이에 구비된 무지부(43) 영역이 권취되면서 형성된 권회턴들의 부분에 해당한다. 전해질 함침부(55)는 전해질(EL)이 주로 함침될 수 있는 구간으로서 권취 축 방향(Y)으로 분절편 정렬부(66)의 높이보다 낮은 높이를 갖는다.
도 7c에 도시된 것처럼, 전해질 함침부(55)에는 분리막(Se)의 외부로 돌출된 분절편(61)이 존재하지 않는다. 또한, 전해질 함침부(55)에서는 전극 조립체(JR)의 반경 방향으로 인접하는 분리막(Se)들 사이에서 양극(E1)의 활물질층(a1)과 음극(E2)의 활물질층(a2) 단부가 분리막(Se)의 단부보다 소정 간격 하부로 리세스되어 이격되어 있다. 따라서, 양극(E1)과 음극(E2) 사이의 절연이 유지될 수 있다. 실시예에서, 이격 거리는 0.6mm 내지 1mm일 수 있다. 양극(E1)과 음극(E2)의 단부 중 적어도 하나에는 절연 코팅층(44)이 형성되어 있을 수 있다. 양극(E1)의 단부는 활물질층(a1)의 두께가 점진적으로 감소하는 슬라이딩부를 포함할 수 있다. 도 7c에 도시된 전극과 분리막의 배치 구조는 전극 조립체(JR)의 타측 단부에 적용될 수 있다. 바람직하게, 전극 조립체(JR)의 타측 단부에서 절연 코팅층(44)과 슬라이딩부는 음극(E2)의 단부에 형성될 수 있다.
전해질(EL)은 분리막(Se)들의 단부 사이에 구비된 갭을 통해 양극(E1)과 음극(E2)에 직접적으로 접촉되면서 전극 조립체(JR)의 내부로 함침될 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체(JR)의 상부로 적하된 전해질(EL)은 양극(E1) 및 음극(E2)의 단부와 분리막(Se)의 단부에 동시에 접촉되면서 빠르게 전극 조립체(JR)의 내부로 스며들게 된다. 이로써, 전해질 함침성(속도 및 균일성)이 현저하게 개선될 수 있다.
본 실시예에 있어서, p개의 분절편 그룹(61g)이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 코어측으로부터 외주측을 향해 각각 C1 내지 Cp로 정의할 수 있다.
전극 조립체(JR)에 포함된 전극들의 두께가 설계 두께와 완전히 일치할 경우, 도 7c에 도시된 것처럼 권회턴 원호들의 중앙 지점 C1 내지 Cp는 코어(C)의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인(Lalign) 상에 위치한다. 따라서, 분절편 정렬부(66)은 대칭적인 기하학적 모양을 가진다.
하지만, 전극 조립체(JR)의 제조에 사용되는 양극과 음극은 설계 두께와 공차를 가진다. 공차는 양의 수 또는 음의 수일 수 있다. 공차가 양의 수일 때, 전극은 설계 두께보다 두껍다. 반대로, 전극의 공차가 음일 때 전극은 설계 두께보다 얇다. 양극은 양의 공차를 가지고 음극은 음의 공차를 가질 수 있고, 그 반대의 경우(vice versa)도 가능하다. 또한, 양극과 음극은 함께 양의 공차 또는 음의 공차를 가질 수 있다.
양극과 음극의 공차는 전극 공차로서 합산될 수 있다. 일 예에서, 양극이 2um의 양의 공차를 가지고, 음극이 1um의 양의 공차를 가지면 전극 공차는 3um일 수 있다. 다른 예로, 양극이 1um의 음의 공차를 가지고 음극이 2um의 양의 공차를 가지면 전극 공차는 1um일 수 있다.
도 7d 및 도 7e에 도시된 것과 같이, 양극과 음극의 두께가 설계 두께와 차이를 가지면, 권회턴 원호들의 중앙 지점 C1 내지 Cp는 정렬 라인(Lalign)으로부터 벗어난다.
일 예에서, 전극의 공차가 양수이면, 각 권회턴이 위치하는 반경이 설계 반경보다 증가한다. 따라서, 분절편 그룹(61g)은 도 7d에 도시된 바와 같이 정렬 라인(Lalign) 상의 설계 위치를 기준으로 전극 조립체(JR)의 권취 방향과는 반대 방향으로 회전을 한다. θ+는 시계 방향으로의 회전 각도를 나타낸다.
다른 예에서, 전극의 공차가 음수이면, 각 권회턴이 위치하는 반경이 설계 반경보다 감소한다. 따라서, 분절편 그룹(61g)은 도 7e에 도시된 바와 같이 정렬 라인(Lalign) 상의 설계 위치를 기준으로 전극 조립체(JR)의 권취 방향과 동일한 방향으로 회전을 한다. θ-는 반시계 방향으로의 회전 각도를 나타낸다.
따라서, 전극의 설계 두께를 기준으로 전극의 공차가 0이 아닐 때, 각 분절편 그룹(61g)이 위치한 권회턴 원호의 중심 지점 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 정렬 라인(Lalign) 상에 위치하지 않을 수 있다.
전극이 두께 공차를 가지면, 권회턴 원호들의 중앙 지점 C1 내지 Cp가 정렬 라인(Lalign)으로부터 원주 방향으로 이격되는 거리는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 증가할 수 있다. 전극의 두께 공차에 의한 권회턴의 반경 증가가 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 비례적으로 누적되기 때문이다.
한편, 전극의 공차는 평균적 개념에 의한 수치이다. 따라서, 권취 방향(X)의 위치에 따라 전극의 두께는 (설계 두께+공차)에 대응되는 두께와 차이를 나타낼 수 있다. 따라서, 분절편 정렬부(66)에 있어서 각 권회턴 부분에 위치한 분절편 그룹(61g)의 회전량은 도 7f에 도시된 바와 같이 차이를 나타낼 수 있다. 각 분절편 그룹(61g)의 회전량에 차이가 생기면, 분절편 정렬부(66)에 포함된 권회턴 부분의 양단을 연결한 라인(L1,L2)는 직선에서 불규칙한 선으로 변형될 수 있다. 하지만, 분절편 정렬부(66)의 회전 대칭 구조, 점 대칭 구조 또는 방사상 연장 구조는 그대로 유지될 수 있다.
도 7f는 전극의 공차가 양수인 경우에 관한 것이다. 전극의 공차가 음수인 경우는 분절편 그룹(61g)들이 반시계 방향으로 회전할 수 있음은 자명하다.
실시예에서, 전극의 공차가 양수일 때 C1 내지 Cp의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상은 정렬 라인(Lalign)을 기준으로 전극 조립체(JR)의 권취 방향과 반대 방향으로 회전될 수 있다. 또한, 전극의 공차가 음수일 때, C1 내지 Cp의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상은 정렬 라인(Lalign)을 기준으로 전극 조립체(JR)의 권취 방향으로 회전될 수 있다.
전극이 양수 또는 음수의 공차를 가질 때, 전극의 권취 방향에서 양극과 음극의 두께가 균일할수록 정렬 라인(Lalign)을 벗어나는 C1 내지 Cp의 비율은 100%를 향해 수렴할 수 있다.
도 7g를 참조하면, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편 그룹(61g)은 전극 조립체(JR)의 코어(C)를 향해 절곡되여 절곡 표면영역(F)을 형성할 수 있다.
전극 조립체(JR)는 절곡 표면영역(F)에 용접되는 집전체(미도시)를 포함할 수 있다. 참조부호 WL은 집전체의 용접 라인을 나타낸다. 용접 라인(WL)은 각각의 분절편 정렬부(66)의 절곡 표면영역(F)에 형성될 수 있다.
용접 라인(WL)은 레이저 용접 라인일 수 있다. 용접 라인(WL)을 레이저 용접에 의해 형성할 때 용접 라인(WL)의 최소폭은 1mm일 수 있다. 용접 라인(WL)의 원 패턴은 레이저 빔의 조사 지점을 모식적으로 나타낸 것이다. 최소폭은 레이저 빔에 의해 용접 포인트를 방사상으로 2열 구조로 형성할 때 얻을 수 있다.
바람직하게, 분절편 정렬부(66)에 포함된 p개의 분절편 그룹(61g)이 위치하는 권회턴 원호들은 집전체의 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 이것으로부터 동일한 폭으로 연장된 가상의 라인(W* L)과 교차할 수 있다.
위와 같은 권회턴 원호들과 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 가상의 라인 (W* L)과 교차 조건이 성립되면, 용접 라인(WL)의 전체 영역이 절곡 표면영역(F)에 중첩되면서 용접을 안정적으로 진행할 수 있다.
교차 조건은 분절편 정렬부(66)의 원주각 크기를 사전에 설계하여 충족시키는 것이 바람직하다. 즉, 전극 두께의 설계 조건 대비 실제 전극 조립체(JR)의 제조에 사용되는 전극의 두께 공차를 미리 예측한다. 전극 두께에 관한 공차는 1um 내지 5um일 수 있다. 전극의 공차는 0에 수렴할수록 바람직하나 1um 수준의 전극 공차는 불가피하다. 다만, 5um 보다 큰 전극 공차는 전극 조립체(JR)의 직경을 크게 변화시켜 배터리의 품질에 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서, 전극의 공차는 1um 내지 5um 수준에서 관리하는 것이 바람직하다. 전극 두께에 관한 공차가 예측되면, 전극의 권취 방향을 따라 전극 두께의 편차가 없다고 가정하고, 예측된 공차를 기준으로 분절편 그룹(61g)의 시계방향 또는 반시계 방향으로의 최대 회전 각도를 결정할 수 있다.
도 7h와 도 7i는 각각 전극의 예측 두께 공차를 기준으로 산출된 파라미터로서 분절편 그룹(61g)에 대한 시계방향으로의 최대 회전 각도(θ+,max)와 반시계 방향으로의 최대 회전 각도(θ-,max)를 나타낸다. 여기서, 반시계 방향은 권취 방향과 동일한 방향이고, 시계 방향은 권취 방향과 반대 방향이다. 최대 회전 각도(θ+,max)는 전극의 두께 공차가 양수일 때 얻어지고, 최대 회전 각도(θ-,max)는 전극의 두께 공차가 음수일 때 얻어진다.
다음 표 4는 전극의 두께 공차에 대해 산출된 θ+,max 및 θ-,max의 계산 결과값을 보여준다. 양극 공차, 음극 공차 및 전극 공차는 표에 나타낸 수치 이외에 다른 값을 가질 수 있다. 또한, 전극 공차가 동일한 조건 하에서, 양극 공차와 음극 공차는 다양한 조합이 가능하다. 예를 들어, 양극 공차가 1.3um이고, 음극 공차가 1.7um인 경우도 전극 공차가 3um인 공차 조건 5에 해당한다.
공차조건 양극공차 음극공차 전극 공차
(합산 공차)		 θ+,max
(degree)		 θ-,max
(degree)		 설계 원주각의
최소값
1 0.5um 0.5um 1um 19 0 38
2 -0.5um -0.5um -1um 0 19
3 1um 1um 2um 34 0 68
4 -1um -1um -2um 0 34
5 1.5um 1.5um 3um 50 0 100
6 -1.5um -1.5um -3um 0 50
7 2um 2um 4um 66 0 132
8 -2um -2um -4um 0 66
9 2.5um 2.5um 5um 88 0 176
10 -2.5um -2.5um -5um 0 88
표 4를 참조하면, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각은 θ-,max와 θ+,max의 합산값에 해당하도록 설계할 수 있다.분절편 정렬부(66)이 최소 원주각을 가지도록 설계한다는 것은 분절편 그룹(61g)의 폭과 이격 피치(Pg)를 조절함으로써 전극이 권취되었을 때 분절편 그룹(61g)이 최소 원주각 보다 큰 원주각을 가진 부채꼴 형상의 영역에 배열될 수 있도록 하는 것을 의미한다.
분절편 정렬부(66)의 실제 형상은 권취 축 방향(Y)에서 보았을 때 분절편 그룹(61g)들의 회전에 의해 도 7f에 도시된 바와 같이 변형된다. 하지만, 분절편 그룹(61g)들이 위치하는 권회턴 원호들과 용접 라인(WL)이 서로 교차하므로 용접 공정을 진행하는데 문제가 없다.
표 4를 참조하면, 전극 공차가 ±1um 이하로 관리가 가능하다고 예측되면, 분절편 정렬부(66)에 포함되는 분절편 그룹(61g)들은 시계방향으로 최대 19도, 반시계 방향으로 최대 19도 회전할 수 있다. 따라서, 전극의 두께 공차를 제외하고 순수한 설계적 관점에서 분절편 정렬부(66)의 원주각이 38도를 초과하도록 분절편 그룹(61g)의 폭과 이격 피치(Pg)를 설계하면, 실제로 제작된 전극 조립체(JR)에서는 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 이로부터 연장되는 가상 라인(W* L)이 분절편 그룹(61g)들에 대응되는 권회턴 원호들과 교차하는 조건이 성립됨으로써 절곡 표면영역(F) 상에 집전체를 안정적으로 용접할 수 있다.
다른 예에서, 전극 공차가 ±2um 이하로 관리가 가능하다고 예측되면, 분절편 정렬부(66)에 포함되는 분절편 그룹(61g)들은 시계방향으로 최대 34도, 반시계 방향으로 최대 34도 회전할 수 있다. 따라서, 전극의 두께 공차를 제외하고 순수한 설계적 관점에서 분절편 정렬부(66)의 원주각이 68도를 초과하도록 분절편 그룹(61g)의 폭과 이격 피치(Pg)를 설계하면, 실제로 제작된 전극 조립체(JR)에서는 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 이로부터 연장되는 가상 라인(W* L)이 분절편 그룹(61g)들에 대응되는 권회턴 원호들과 교차하는 조건이 성립되어 절곡 표면영역(F) 상에 집전체를 안정적으로 용접할 수 있다.
또 다른 예에서, 전극 공차가 ±3um 이하로 관리가 가능하다고 예측되면, 분절편 정렬부(66)에 포함되는 분절편 그룹(61g)들은 시계방향으로 최대 50도, 반시계 방향으로 최대 50도 회전할 수 있다. 따라서, 전극의 두께 공차를 제외하고 순수한 설계적 관점에서 분절편 정렬부(66)의 원주각이 100도를 초과하도록 분절편 그룹(61g)의 폭과 이격 피치(Pg)를 설계하면, 실제로 제작된 전극 조립체(JR)에서는 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 이로부터 연장되는 가상 라인(W* L)이 분절편 그룹(61g)들에 대응되는 권회턴 원호들과 교차하는 조건이 성립되어 절곡 표면영역(F) 상에 집전체를 안정적으로 용접할 수 있다.
또 다른 예에서, 전극 공차가 ±4um 이하로 관리가 가능하다고 예측되면, 분절편 정렬부(66)에 포함되는 분절편 그룹(61g)들은 시계방향으로 최대 66도, 반시계 방향으로 최대 66도 회전할 수 있다. 따라서, 전극의 두께 공차를 제외하고 순수한 설계적 관점에서 분절편 정렬부(66)의 원주각이 132도를 초과하도록 분절편 그룹(61g)의 폭과 이격 피치(Pg)를 설계하면, 실제 제작된 전극 조립체(JR)에서는 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 이로부터 연장되는 가상 라인(W* L)이 분절편 그룹(61g)들에 대응되는 권회턴 원호들과 교차하는 조건이 성립되어 절곡 표면영역(F) 상에 집전체를 안정적으로 용접할 수 있다.
또 다른 예에서, 전극 공차가 ±5um 이하로 관리가 가능하다고 예측되면, 분절편 정렬부(66)에 포함되는 분절편 그룹(61g)들은 시계방향으로 최대 88도, 반시계 방향으로 최대 88도 회전할 수 있다. 따라서, 전극의 두께 공차를 제외하고 순수한 설계적 관점에서 분절편 정렬부(66)의 원주각이 176도를 초과하도록 분절편 그룹(61g)의 폭과 이격 피치(Pg)를 설계하면, 실제 제작된 전극 조립체(JR)에서는 용접 라인(WL) 및, 선택적으로, 이로부터 연장되는 가상 라인(W* L)이 분절편 그룹(61g)들에 대응되는 권회턴 원호들과 교차하는 조건이 성립되어 절곡 표면영역(F) 상에 집전체를 안정적으로 용접할 수 있다.
분절편 정렬부(66)의 수는 전극의 두께 공차에 의해 결정되는 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각에 관한 설계 조건을 고려하여 결정될 수 있다.
일 예에서, 전극의 두께 공차가 ±1um 이하로 관리가 가능하다고 예측될 경우, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각은 38도보다 크므로 분절편 정렬부(66)의 수는 1개부터 9개의 범위에서 결정할 수 있다.
다른 예에서, 전극의 두께 공차가 ±2um 이하로 관리가 가능하다고 예측될 경우, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각은 68도보다 크므로 분절편 정렬부(66)의 수는 1개부터 5개의 범위에서 결정할 수 있다.
또 다른 예로, 전극의 두께 공차가 ±3um 이하로 관리가 가능하다고 예측될 경우, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각은 100도보다 커야 하므로 분절편 정렬부(66)의 수는 1개부터 3개의 범위에서 결정할 수 있다.
또 다른 예에서, 전극의 두께 공차가 ±4um 이하로 관리가 가능하다고 예측될 경우, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각은 132도보다 커야 하므로 분절편 정렬부(66)의 수는 1개부터 2개의 범위에서 결정할 수 있다.
또 다른 예에서, 전극의 두께 공차가 ±5um 이하로 관리가 가능하다고 예측될 경우, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각은 176도보다 커야 하므로 분절편 정렬부(66)의 수는 1개부터 2개의 범위에서 결정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 전극 공차는 상술한 바에 한정되지 않는다. 따라서, 당업자라면, 표에 제시된 전극 공차들 이외의 다른 값에 대해서도 θ-,max 및 θ+,max를 결정하여 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각 설계 조건을 용이하게 산출할 수 있음은 자명하다.
한편, 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각 조건을 산출함에 있어서, 용접 라인(WL)의 폭을 추가로 고려하는 것이 더욱 바람직하다.
도 7j를 참조하면, 용접 라인(WL)이 안정적으로 형성되기 위해서는, 용접 라인(WL)과 교차하는 권회턴 원호의 1/2에 대한 원주각 중에서 하기 수식 7로 계산되는 최대값(θweld,max)이 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각과 합산되는 것이 바람직하다.
<수식 7>
θweld,max = (360°*0.5*darc)/(2πr)
여기서, darc는 용접 라인(WL)과 교차하는 권회턴 원호들 중에서 원주각이 최대인 권회턴 원호의 길이이고, r은 코어의 중심을 기준으로 해당 권회턴 원호의 반경이다.
용접 라인(WL)이 전극 조립체(JR)의 코어(C) 중심으로부터 동일한 폭을 가지며 반경 방향으로 연장된 경우, darc는 용접 라인(WL)과 교차하는 권회턴 원호들 중에서 코어(C)와 가장 인접한 권회턴 원호의 길이에 해당한다.
다음 표 5는 darc가 1mm일 때 r의 변화에 따른 θweld,max의 계산 결과를 보여준다.
JR 반지름
(mm)		 θweld,max
(degree)
6 4.77
7 4.09
8 3.58
9 3.18
10 2.86
11 2.60
12 2.39
13 2.20
14 2.05
15 1.91
16 1.79
17 1.69
18 1.59
19 1.51
20 1.43
21 1.36
22 1.30
수식 7로 계산된 θweld,max을 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각에 합산하면, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편 그룹(61g)들이 최대 각도로 시계 방향 또는 반시계 방향을 따라 회전을 하더라도 θweld,max의 원주각만큼 분절편 정렬부(66)가 확장되어 있으므로 용접 라인(WL)의 형성이 가능하다. 한편, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전극 조립체(JR)는 다음 수식 8의 관계식을 또한 만족할 수 있다.
<수식 8>
θdesign > θmax + θweld,max
도 8의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전극 조립체(JR)는 분절편 정렬부(66)와 전해질 함침부(55)를 포함하고, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편 그룹(61g)들은 전극의 두께 공차로 인해서 설계 위치가 아닌 소정의 방향으로 회전된 상태를 가진다. 분절편 그룹(61g)들의 회전 각도는 전극의 두께 공차에 따른 최대 회전 각도 이하이다.
도 8의 (b)를 참조하면, θdesign은, 전극 조립체(JR)의 분절편 정렬부(66)에 포함된 권회턴 원호들의 중심 지점에 해당하는 C1 내지 Cp가 용접 라인(WL)과 중첩되는 정렬 라인(Lalign) 상에 위치하도록 권회턴 원호들을 가상으로 회전시켰을 때 권회턴 원호들에 의해 형성되는 부채꼴 형상의 원주각에 해당한다.
θdesign은 표 4를 참조하여 설명한 바와 같이 전극의 두께 공차를 고려하여 순수히 설계적 관점에서만 결정된 분절편 정렬부(66)의 최소 원주각보다 큰 각도 값을 가진다.
θmax는 정렬 라인(Lalign)을 기준으로 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편 그룹 단부의 최대 회전 각도이다. θmax은 실질적으로 최외주측에 위치한 분절편 그룹 단부의 회전 각도에 해당한다.
θweld,max는 분절편 정렬부(66)에 포함된 각 분절편 그룹(61g)을 최대로 회전시켜 분절편 그룹(61g)들의 단부가 정렬 라인(Lalign) 상에 위치될 때를 기준으로 수식 7을 이용하여 산출한 각도 값이다.
바람직하게, 분절편 그룹(61g)에 포함된 분절편(61)은 하기 조건들 중 적어도 하나 이상을 충족하면서 여러 가지 모양으로 변형될 수 있다.
조건1: 하부의 폭이 상부의 폭보다 큼
조건2: 하부의 폭과 상부의 폭이 동일함
조건3: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 동일하게 유지됨
조건4: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소함
조건5: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소했다가 증가함
조건6: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 증가했다가 감소함
조건7: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 증가하다가 일정하게 유지됨
조건8: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소하다가 일정하게 유지됨
조건9: 하부의 일측 내각과 타측 내각은 서로 같음
여기서, 내각은 분절편 하부의 폭 방향을 기준으로 분절편의 측부가 이루는 각도로 정의될 수 있음. 측부가 곡선인 경우 내각은 곡선의 최하단 지점에서 그은 접선과 분절편 하부의 폭 방향 사이의 각도로 정의됨.
조건10: 하부의 일 측 내각과 타 측 내각은 서로 다름
조건11: 하부의 일 측 내각과 하부의 타측 내각은 각각 예각, 직각 또는 둔각을 가짐
조건12: 권취 축 방향을 기준으로 좌우 대칭임
조건13: 권취 축 방향을 기준으로 좌우 비대칭임
조건14: 측부는 직선 모양임
조건15: 측부는 곡선 모양임
조건16: 측부는 외측으로 볼록함
조건17: 측부는 내측으로 볼록함
조건18: 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 직선이 만나는 구조임
조건19: 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 곡선이 만나는 구조임
조건20: 상부 및/또는 하부의 코너는 곡선과 곡선이 만나는 구조임
조건21: 상부 및/또는 하부의 코너는 라운드 구조임
도 9는 본 발명의 변형예에 따른 분절편의 모양들을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 분절편은 양측의 절단홈 저부를 연결한 점선을 밑변으로 하는 다양한 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다. 기하학적 도형은 적어도 하나의 직선, 적어도 하나의 곡선 또는 이들의 결합이 연결된 구조를 가진다. 일 예에서, 분절편은 다각형 모양, 라운드 모양 또는 이들이 결합된 다양한 모양을 가질 수 있다.
구체적으로, 분절편은 좌우 대칭 사다리꼴 모양(ⓐ); 좌우 비대칭 사다리꼴 모양(ⓑ); 평행사변형 모양(ⓒ); 삼각형 모양(ⓛ); 오각형 모양(ⓚ); 원호 모양(ⓔ); 또는 타원 모양(ⓕ)일 수 있다.
분절편 모양은 도 9에 도시된 것에 한정되지 않으므로, 상술한 조건 1 내지 21 중에서 적어도 하나 이상을 충족하도록 다른 다각형, 다른 라운드 모양 또는 이들의 결합으로 변형될 수 있다.
분절편의 다각형 모양 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓚ 및 ⓛ에 있어서, 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 직선이 만나는 모양이거나 라운드 모양(모양 ⓐ의 상부 및 하부 코너 확대 참조)일 수 있다.
분절편의 다각형 모양 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓚ 및 ⓛ과 분절편의 곡선 모양 ⓔ 및 ⓕ에 있어서, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있고, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 각각 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다. 내각은 기하학적 도형의 밑변과 측변이 만나는 각도이다. 측변이 곡선일 때, 직선은 밑변과 측변이 만나는 점에서 연장된 접선으로 대체될 수 있다.
다각형 모양을 가진 분절편의 측부 형상은 다양한 변형이 가능하다.
일 예에서, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 모양 ⓓ와 같이 외부로 볼록한 곡선으로 변형되거나 모양 ⓖ 또는 ⓙ와 같이 분절편의 내측으로 만입된 곡선으로 변형 가능하다.
다른 예에서, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 모양 ⓗ 또는 ⓘ와 같이 분절편의 내측으로 만입된 꺽인 직선으로 변형될 수 있다. 도시되지 않았지만, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 외부로 볼록하게 꺽인 직선으로 변형될 수 있다.
측부가 다양하게 변형된 분절편 모양 ⓓ, ⓖ, ⓙ, ⓗ 및 ⓘ에 있어서, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있고, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 각각 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다.
분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 다양한 변화 패턴을 가질 수 있다.
일 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 일정하게 유지될 수 있다(모양 ⓒ). 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소할 수 있다(모양 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ 및 ⓖ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소했다가 증가할 수 있다(모양 ⓘ 및 ⓙ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가하다가 감소할 수 있다(모양 ⓚ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소하다가 일정하게 유지될 수 있다(모양 ⓗ). 도시되지 않았지만, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가하다가 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 도 9에 예시된 분절편의 모양들 중에서 상부가 평평한 다각형 모양은 180도 회전될 수 있다. 일 예에서, 분절편 모양 ⓐ, ⓑ, ⓓ 또는 ⓖ가 180도 회전할 경우, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가할 수 있다. 다른 예에서, 분절편 모양 ⓗ가 180도 회전할 경우, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 일정하게 유지되다가 점차 증가할 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 제3부분(B2)의 영역에 따라서 분절편(61)의 형상을 다르게 변경하는 것도 가능하다. 일 예에서, 응력이 집중되는 구간은 응력 분산에 유리한 라운드 형상(예컨대, 반원형, 타원형 등)을 적용하고, 응력이 상대적으로 낮은 구간은 면적이 최대한 넓은 다각 형상(예컨대, 사각형, 사다리꼴, 평형 사변형 등)을 적용할 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 전극 조립체의 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라서 개별적으로, 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 다른 모양을 가질 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 제3부분(B2)의 분절 구조는 제1부분(B1)에도 적용이 가능하다. 다만, 제1부분(B1)에 분절 구조가 적용되면, 코어의 곡률 반경에 따라 제3부분(B2)의 분절편(61)이 절곡될 때 제1부분(B1)의 단부가 외주측으로 휘는 역포밍(reverse forming) 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 제1부분(B1)에는 분절 구조가 없거나, 분절 구조를 적용하더라도 코어의 곡률 반경을 고려하여 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 역포밍이 생기지 않는 수준으로 가능한 작게 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극(60)이 전극 조립체(JR)로 권취된 이후에, 전극 조립체(JR)의 상부 및 하부에 노출되어 분절편 정렬부(66)를 구성하는 분절편(61)들은 전극 조립체(JR)의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되면서 절곡 표면영역(F)을 형성할 수 있다.
도 10은 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 전극 조립체(JR)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)의 단면을 나타낸 모식도이다. 절곡 표면영역(F)의 단면 구조는 분절편 정렬부(66)를 반경 방향으로 잘랐을 때의 구조를 나타낸다. 절곡 표면영역(F)은 전극 조립체(JR)의 코어측으로부터 외주측으로 높이가 단계적으로 변화하는 분절편(61)들이 절곡되면서 형성된 것이다. 도 10에서, 절곡 표면영역(F)의 단면은 전극 조립체(JR)의 권회 축을 기준으로 좌측만 도시하였다. 절곡 표면영역(F)은 전극 조립체(JR)의 상부와 하부에 모두 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 절곡 표면영역(F)은 권회 축 방향으로 분절편(61)들이 복수의 레이어들로 중첩된 구조를 가진다. 중첩 방향은 권회 축 방향(Y)이다. 구간 ①은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(제1부분)이고, 구간 ② 및 ③은 그룹간 이격 간격을 두고 권취 방향으로 배치된 분절편 그룹(61g)들이 포함되어 있는 권회턴이 위치하는 구간이다. 구간 ②는 분절편(61)의 높이가 가변되는 높이 가변 구간이고, 구간 ③은 전극 조립체의 외주까지 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간이다. 후술하겠지만, 구간 ② 및 구간 ③의 반경 방향 길이는 가변될 수 있다. 한편, 최외곽 권회턴을 포함한 적어도 하나 이상의 권회턴에 포함된 무지부(제2부분)는 분절편 구조를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 구간 ③에서 제2부분은 제외될 수 있다.
구간 ②에서, 분절편(61)들의 높이는 전극 조립체(JR)의 반경 r1 내지 rN 구간에서 최소 높이 h1(=hmin)부터 최대 높이 hN(=hmax)까지 단계적으로 변화될 수 있다. 분절편(61)들의 높이가 가변되는 높이 가변 구간은 r1 내지 rN이다. 반경 rN부터 전극 조립체(JR)의 반경 R까지는 분절편(61)의 높이가 hN으로 균일하게 유지된다. 높이가 균일하다는 것은 높이의 편차가 5% 이내임을 의미한다.
구간 ② 및 구간 ③의 임의의 반경 위치에서, 분절편(61)의 적층수는 반경 위치에 따라 달라진다. 또한, 분절편(61)의 적층수는 구간 ②의 폭, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편의 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN-1), 그리고 분절편(61)의 높이 변화 폭(△h)에 의해 달라질 수 있다. 분절편(61)의 적층수는 전극 조립체(JR)의 임의의 반경 위치에서 권회 축 방향으로 가상의 선을 그었을 때 가상의 선과 만나는 분절편의 수이다.
바람직하게, 분절편(61)이 포함된 권회턴의 반경에 따라서 분절편(61)의 높이, 폭(권치 방향 길이) 및 이격 피치를 조절하여 절곡 표면영역(F)의 각 위치에서 분절편(61)의 적층수를 요구되는 집전판의 용접 강도에 맞게 최적화시킬 수 있다.
먼저, 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편(61)의 최대 높이(hN-1) 변화에 따라 분절편(61)의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예1-1 내지 실시예 1-7의 전극 조립체들이 준비되었다. 실시예들의 전극 조립체들은 반경이 22mm, 코어 직경이 4mm이다. 전극 조립체에 포함되는 양극과 음극은 도 4a에 도시된 전극 구조를 가진다. 양극과 음극의 제2부분(B3)은 분절편을 포함하지 않는다. 제2부분(B3)의 길이는 전극의 총 길이 대비 2% 내지 4% 이다. 양극, 음극 및 분리막은 도 2를 통해 설명한 공법으로 권회되었다. 권회턴은 48턴 내지 56턴 사이인데, 실시예들의 권회턴은 51턴이다. 양극, 음극 및 분리막의 두께는 각각 149um, 193um 및 13um이다. 양극과 음극의 두께는 활물질층의 두께를 포함한 두께이다. 양극 집전판과 음극 집전판의 두께는 각각 15um 및 10um이다. 양극과 음극의 권취 방향 길이는 각각 3948mm 및 4045mm이다.
각 실시예에서, 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)은 반경 5mm부터 시작되도록 분절편(61)의 최소 높이를 3mm로 설정하였다. 또한, 각 실시예에서, 분절편(61)의 높이는 반경 1mm 증가당 1mm씩 증가시켰으며, 분절편(61)의 최대 높이는 4mm부터 10mm까지 다양하게 변화시켰다.
구체적으로, 실시예 1-1은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 6mm이고, 분절편(61)의 높이는 반경 3mm부터 4mm까지 가변된다. 실시예 1-2는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 7mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 5mm까지 가변된다. 실시예 1-3은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 8mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 6mm까지 가변된다. 실시예 1-4는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 9mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 7mm까지 가변된다. 실시예 1-5는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 10mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 8mm까지 가변된다. 실시예 1-6은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 11mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 9mm까지 가변된다. 실시예 1-7은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 12mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 10mm까지 가변된다. 실시예 1-1 내지 1-7에서 높이 가변 구간(②)의 상한에 해당하는 반경부터 외주까지는 분절편(61)의 높이가 균일하다. 일 예에서, 실시예 1-7에서, 반경 12mm부터 22mm까지 분절편(61)의 높이는 10mm로 균일하다. 한편 비교예의 전극 조립체는 반경 5mm부터 반경 22mm까지 분절편(61)의 높이를 단일 높이인 3mm로 유지시켰다.
도 11a는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 절곡 표면영역(F)은 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 전극 조립체(JR)의 코어측으로 절곡되면서 형성된 것이다. 음극의 절곡 표면영역도 실질적으로 동일한 결과를 보인다. 그래프의 가로 축은 코어 중심을 기준으로 한 반경이고, 그래프의 세로축은 각 반경 지점에서 카운트한 분절편의 적층수이고, 이후에 설명할 도 11b 및 도 11c에서도 동일하다.
도 11a를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 실시예1-1 내지 실시예1-7 그리고 비교예 1에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 각 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최대 높이가 감소할수록 증가하며, 비교예의 적층수 균일구간(b1')이 가장 길다. 한편, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 즉, 분절편의 최대 높이(hN)가 증가하여 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 증가하면 분절편의 적층수는 증가하는 반면 적층수 균일구간(b1)의 폭은 감소한다. 적층수 균일구간(b1)의 외측에는 반경이 증가함에 따라 분절편의 적층수가 감소하는 적층수 감소구간(b2)이 나타난다. 적층수 감소구간(b2)은 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 분절편의 적층수가 감소하는 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)은 반경 방향으로 인접해 있고 서로에 대해 상보적이다. 즉, 한쪽 구간의 길이가 증가하면 다른 한쪽 구간의 길이는 감소한다. 또한, 적층수 감소구간(b2)에서 적층수의 감소량은 적층수 균일구간(b1)으로부터 이격된 거리에 비례한다.
분절편의 적층수 관점에서 실시예1-1 내지 실시예1-7은 분절편의 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수가 10 이상이다. 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다. 용접 타겟 영역은 집전판의 적어도 일부가 용접될 수 있는 구간이다.
실시예 1-1 내지 실시예 1-7에서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 즉, 높이 가변 구간(②)은 반경 5mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다.
아래 표 6은, 실시예1-1 내지 실시예1-7과 비교예1에 있어서, 양극에 대해서, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c)의 길이 비율, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이(f) 대비 적층수 균일구간(b1)의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이(f) 대비 분절편의 높이 가변 구간(d)의 길이 비율(d/f), 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율(h), 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율(i), 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 비율(i) 등을 산출한 결과를 나타낸다.
음극은 파라미터 h에 대해 0.1 내지 1.2%의 차이를 보이는 점을 제외하고 나머지 파라미터들은 양극과 실질적으로 동일하다. 비율 h, i 및 j의 합은 100%와 약간의 차이를 보인다. 그 이유는 전극의 코어측 무지부에 해당하는 제2부분(B3)에 분절편이 없는 구간이 존재하기 때문이다. 예를 들어, 실시예 1-1의 경우 전극 총 길이의 대략 3%에 해당하는 제2부분(B3)에 분절편이 존재하지 않는다. 표 6에서, a 내지 f는 반경 방향의 길이를 기준으로 한 파라미터들이고, h, i 및 j는 전극의 권회 방향 길이를 기준으로 한 파라미터들이다. 또한, 비율(%)에 해당하는 파라미터들은 소수 첫째자리에 반올림한 값이다. 이러한 점들은 이후에 설명될 표 7 및 표 8에 있어서도 실질적으로 동일하다.
Ref. a.
코어
반경
(mm)		 b.
권회
구조
반경
(mm)		 c.
분절편
생략
구간
(mm)		 d.
높이
가변
구간
(mm)		 e.
적층수
균일
구간
(mm)		 f.
분절편
구간
(mm)		 g.
균일
구간
적층수		 c/(b-a)
(%)		 d/f
(%)		 e/f
(%)		 h.
분절편
생략
구간
비율		 i.
높이
가변
구간
비율		 j.
높이
균일
구간
비율
실시예
1-1		 2 22 3 1 14 17 11 15% 6% 82% 6% 3% 87%
실시예1-2 2 22 3 2 13 17 13 15% 12% 76% 6% 7% 83%
실시예1-3 2 22 3 3 12 17 16 15% 18% 71% 6% 11% 80%
실시예1-4 2 22 3 4 11 17 18 15% 24% 65% 6% 15% 75%
실시예1-5 2 22 3 5 10 17 21 15% 29% 59% 6% 21% 69%
실시예1-6 2 22 3 6 9 17 23 15% 35% 53% 6% 25% 65%
실시예1-7 2 22 3 7 8 17 27 15% 41% 47% 6% 32% 59%
비교예1 2 22 3 0 15 17 8 15% 0% 88% 6% - -
표 6의 실시예1-1 내지 1-7을 참조하면, 분절편의 적층수는 11 내지 27이고, 분절편이 포함되는 반경 구간(f) 대비 높이 가변 구간(d)의 비율(d/f)은 6% 내지 41%이다. 또한, 분절편이 포함되어 있는 반경 구간(f) 대비 적층수 균일구간(e)의 비율(e/f)은 47% 내지 82%이다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c)의 비율(c/(b-a))은 15%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 3% 내지 32%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 87%이다.적층수 균일구간의 적층수(g)는 실시예1-1 내지 1-7이 모두 10 이상이다. 적층수 균일구간(e)은 분절편의 높이 가변 구간(d)이 증가할수록 감소하지만 적층수 균일구간(e)에서 분절편의 적층수(g)는 증가한다. 바람직하게, 분절편의 적층수(g)가 10 이상인 적층수 균일구간(e)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 종래의 원통형 배터리에 대해서는, 실시예1-1 내지 1-7과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 17mm 수준으로 확보할 수 없고, 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 8mm 내지 14mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예1-1 내지 1-7과 동일한 2mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 7mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예1-1 내지 실시예 1-7에서 사용된 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
다음으로, 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1) 변화에 따라 분절편의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예2-1 내지 2-5의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 최소 높이(h1)는 4mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 6mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예2-1 내지 2-5의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm이며, 분절편 생략 구간(도 10의 ①)은 반경 2mm부터 6mm까지의 반경 구간이다.
실시예3-1 내지 3-4의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 최소 높이(h1)는 5mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 7mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예3-1 내지 3-4의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm이며, 분절편 생략 구간(도 10의 ①)은 반경 2mm부터 7mm까지의 반경 구간이다.
실시예4-1 내지 4-3의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 최소 높이(h1)는 6mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 8mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예4-1 내지 4-3의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm이며, 분절편 생략 구간(도 10의 ①)은 반경 2mm부터 8mm까지의 반경 구간이다.
실시예5-1 내지 5-2의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 최소 높이(h1)는 7mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 9mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예5-1 내지 5-2의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm이며, 분절편 생략 구간(도 10의 ①)은 반경 2mm부터 9mm까지의 반경 구간이다.
도 11b는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역도 실질적으로 동일한 결과를 보인다.
도 11b에서, 그래프 (a)는 실시예 2-1 내지 2-5에 대해, 그래프 (b)는 실시예 3-1 내지 3-4에 대해, 그래프 (c)는 실시예 4-1 내지 4-3에 대해, 그래프 (d)는 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해, 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸다.
도 11b를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 전체 실시예들에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편의 최대 높이(hN)가 감소할수록 증가한다. 또한, 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1)가 감소할수록 증가한다. 한편, 적층수 균일구간(b1)에서, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 실시예들에 있어서도, 적층수 균일구간(b1)과 인접하여 적층수 감소구간(b2)이 나타난다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수는 모두 10 이상이다. 바람직하게, 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 실시예 2-1 내지 2-5에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)은 6mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 3-1 내지 3-4에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)은 7mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 4-3 내지 4-3에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)은 8mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 5-1 내지 5-2에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)은 9mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다.
아래 표 7는, 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(6mm, 7mm, 8mm, 9mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(6mm, 7mm, 8mm, 9mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 분절편 높이 가변 구간(②)의 길이 비율(d/f) 등을 포함한 다양한 파라미터들을 산출한 결과를 나타낸다.
항목 a. 코어
반경
(mm)		 b.
권회
구조
반경
(mm)		 c.
분절편
생략
구간
(mm)		 d.
높이
가변
구간
(mm)		 e.
적층수
균일
구간
(mm)		 f.
분절편
구간
(mm)		 g.
균일
구간
적층수		 c/(b-a)
(%)		 d/f
(%)		 e/f
(%)		 h.
분절편
생략
구간
비율		 i.
높이
가변
구간
비율		 j.
높이
균일
구간
비율
실시예
2-1		 2 22 4 2 7 16 16 20% 13% 44% 10% 6% 81%
실시예2-2 2 22 4 3 8 16 18 20% 19% 50% 10% 11% 77%
실시예2-3 2 22 4 4 9 16 21 20% 25% 56% 10% 16% 72%
실시예2-4 2 22 4 5 10 16 23 20% 31% 63% 10% 20% 68%
실시예
2-5		 2 22 4 6 11 16 27 20% 38% 69% 10% 25% 65%
실시예3-1 2 22 5 2 6 15 18 25% 13% 40% 13% 7% 77%
실시예3-2 2 22 5 3 7 15 21 25% 20% 47% 13% 12% 72%
실시예3-3 2 22 5 4 8 15 24 25% 27% 53% 13% 16% 68%
실시예3-4 2 22 5 5 9 15 27 25% 33% 60% 13% 22% 62%
실시예4-1 2 22 6 2 5 14 21 30% 14% 36% 16% 9% 72%
실시예4-2 2 22 6 3 6 14 23 30% 21% 43% 16% 13% 68%
실시예4-3 2 22 6 4 7 14 27 30% 29% 50% 16% 19% 62%
실시예5-1 2 22 7 2 4 13 23 35% 15% 31% 20% 9% 68%
실시예5-2 2 22 7 3 5 13 27 35% 23% 38% 20% 15% 62%
도 10 및 도 11b와 함께 표 7의 실시예 2-5, 실시예 3-4, 실시예 4-3 및 실시예 5-2를 참조하면, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최대 높이(hN)는 10mm로 동일하지만 분절편의 최소 높이(h1)는 4mm, 5mm, 6mm, 7mm로 1mm씩 증가하고, 높이 가변 구간(②)의 길이는 6mm, 5mm, 4mm, 3mm로 1mm씩 감소한다. 4개의 실시예들에서, 적층수 균일구간의 비율(e/f)은 실시예 2-5가 69%로서 최대이고, 실시예 5-1이 31%로서 최소이고, 적층수 균일구간의 적층수는 모두 동일하다. 표 7에 나타낸 결과로부터, 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1)가 감소하여 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 늘어날수록 적층수 균일구간의 폭도 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 그 이유는, 분절편의 최소 길이(h1)가 작을수록 분절편이 시작되는 반경 지점이 코어측과 가까워지면서 분절편이 적층되는 영역이 코어 측으로 확장되기 때문이다.
표 7을 참조하면, 분절편의 적층수는 16 내지 27이고, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 13% 내지 38%이고, 적층수 균일구간의 비율(e/f) 는 31% 내지 69%임을 알 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c)의 비율(c/(b-a))은 20% 내지 35%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 10% 내지 20%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6% 내지 25%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 62% 내지 81%이다.
1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 실시예들과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 13mm 내지 16mm수준으로 확보할 수 없고, 분절편 생략 구간(c)의 길이를 4mm 내지 7mm 정도 확보하면서 동시에 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 5mm 내지 11mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예들과 동일한 2mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 7mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예들에서 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
다음으로, 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 분절편의 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN)가 동일할 때 전극 조립체의 코어(C) 직경에 따라 분절편의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예6-1 내지 6-6의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 반경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 분절편의 최소 높이(h1)는 3mm로 동일하고, 분절편의 최대 높이(h-N)는 5mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예6-1 내지 6-6의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm이며, 분절편 생략 구간(도 10의 ①)은 반경 4mm부터 7mm까지의 반경 구간이다.
실시예7-1 내지 7-6의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 반경은 2mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에서 분절편의 최소 높이(h1)는 3mm로 동일하고, 분절편의 최대 높이(h-N)는 5mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예7-1 내지 7-6의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm이며, 분절편 생략 구간(①)은 반경 2mm부터 5mm까지의 반경 구간으로 모두 동일하다.
도 11c는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역에서도 실질적으로 동일한 결과가 나타난다.
도 11c에서, 그래프 (a)는 실시예 6-1 내지 6-6에 대해, 그래프 (b)는 실시예 7-1 내지 7-6에 대해, 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸다.
도 11c를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 전체 실시예들에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 반경 방향 길이는 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편의 최대 높이(hN)가 감소할수록 증가한다. 한편, 적층수 균일구간(b1)에서, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 실시예들에서, 적층수 균일구간(b1)과 인접하여 적층수 감수구간(b2)이 확인된다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수는 모두 10 이상이다. 바람직하게, 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 실시예 6-1 내지 6-6의 경우 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)이 시작되는 반경은 7mm이고, 실시예 7-1 내지 7-6의 경우 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)이 시작되는 반경은 5mm이다.
아래 표 8은, 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(7mm, 5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(7mm, 5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 분절편 높이 가변 구간(②)의 길이 비율(d/f) 등을 포함하는 여러 가지 파라미터들의 산출 결과를 나타낸다.
항목 a. 코어
반경
(mm)		 b.
권회
구조
반경
(mm)		 c.
분절편
생략
구간
(mm)		 d.
높이
가변
구간
(mm)		 e.
적층수
균일
구간
(mm)		 f.
분절편
구간
(mm)		 g.
균일
구간
적층수		 c/(b-a)
(%)		 d/f
(%)		 e/f
(%)		 h.
분절편
생략
구간
비율		 i.
높이
가변
구간
비율		 j.
높이
균일
구간
비율
실시예
6-1		 4 22 3 2 11 15 13 17% 13% 73% 6% 7% 83%
실시예6-2 4 22 3 3 10 15 16 17% 20% 67% 6% 11% 80%
실시예6-3 4 22 3 4 9 15 18 17% 27% 60% 6% 15% 75%
실시예6-4 4 22 3 5 8 15 21 17% 33% 53% 6% 21% 69%
실시예6-5 4 22 3 6 7 15 23 17% 40% 47% 6% 25% 65%
실시예6-6 4 22 3 7 6 15 27 17% 47% 40% 6% 32% 59%
실시예7-1 2 22 3 2 13 17 13 15% 12% 76% 6% 7% 83%
실시예7-2 2 22 3 3 12 17 16 15% 18% 71% 6% 11% 80%
실시예7-3 2 22 3 4 11 17 18 15% 24% 65% 6% 15% 75%
실시예7-4 2 22 3 5 10 17 21 15% 29% 59% 6% 21% 69%
실시예7-5 2 22 3 6 9 17 23 15% 35% 53% 6% 25% 65%
실시예7-6 2 22 3 7 8 17 27 15% 41% 47% 6% 32% 59%
도 10과 표 8의 실시예 6-6과 실시예 7-6을 참조하면, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1) 및 최대 높이(hN)는 각각 3mm 및 10mm로 동일하다. 다만, 실시예 6-6은 실시예 7-6에 비해 코어의 반경이 2mm 더 크다. 따라서, 실시예 6-6은 실시예 7-6에 비해서 적층수 균일구간(e)과 분절편 구간(f)이 2mm 작으며, 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 동일하다. 이러한 결과는 코어의 반경 차이로부터 비롯된 것이다. 표 8에 나타낸 결과로부터, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 동일할 때, 코어의 반경(a)이 작을수록 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)은 감소하는데 반해, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 증가하는 것을 알 수 있다.표 8을 참조하면, 분절편의 적층수는 13 내지 27이고, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 12% 내지 47%이고, 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f)는 40% 내지 76%임을 알 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c)의 비율(c/(b-a))은 15% 내지 17%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 7% 내지 32%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 83%이다.
1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 실시예들과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 15mm 내지 17mm수준으로 확보하고 없고, 분절편 생략 구간(c)의 길이를 3mm 정도 확보 하면서 동시에 절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 6mm 내지 13mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예들과 동일한 2mm 내지 4mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 5mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예들에서 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
표 6 내지 표 8의 데이터를 종합적으로 고려하면, 분절편의 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 11 내지 27일 수 있다. 또한, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 6% 내지 47%일 수 있다. 또한, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 31% 내지 82%일 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 분절편 생략 구간의 길이 비율(c/(b-a))은 15% 내지 35%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이(권취 방향 길이) 대비 분절편 생략 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6% 내지 20%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 3% 내지 32%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 87%일 수 있다.
한편, 표 6 내지 표 8을 통해 설명한 파라미터들은 코어의 반경(a); 전극 조립체의 반경(b); 분절편의 높이 가변 구간에서 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN); 반경 1mm 증가당 분절편의 높이 변화 폭(△h); 양극, 음극 및 분리막의 두께 등을 포함하는 설계 팩터들에 따라 가변될 수 있다.
따라서, 분절편의 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 10 내지 35까지 확장될 수 있다. 분절편의 높이 가변 구간(①)의 비율(d/f)는 1% 내지 50%로 확장될 수 있다. 또한, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 30% 내지 85%로 확장될 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 분절편 생략 구간의 길이 비율(c/(b-a))은 10% 내지 40%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이(권취 방향 길이) 대비 분절편 생략 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 1% 내지 30%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 1% 내지 40%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 50% 내지 90%로 확장될 수 있다.
전극 조립체의 상부와 하부에서 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서, 적층수 균일구간은 집전판의 용접 타겟 영역으로 이용될 수 있다.
바람직하게, 집전판의 용접 영역은 전극 조립체의 반경 방향에서 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하고, 중첩 비율이 높을수록 더욱 바람직하다.
바람직하게, 집전판 용접 영역 중에서 적층수 균일구간과 중첩되지 않는 나머지 영역은 반경 방향에서 적층수 균일구간과 인접하는 적층수 감소구간과 중첩될 수 있다.
보다 바람직하게, 집전판의 용접 영역 중에서 적층수 균일구간과 중첩되지 않는 나머지 영역은 적층수 감소구간 중에서 분절편의 중첩수가 10 이상인 영역과 중첩될 수 있다.
분절편의 적층수가 10 이상인 영역에 집전판을 용접하면, 용접 강도의 측면, 그리고 용접 시 분리막이나 활물질층의 손상을 방지할 수 있다는 측면에서 바람직하다. 특히, 투과 특성이 높은 고출력 레이저를 이용하여 집전판을 용접할 때 유용성이 있다.
분절편이 10장 이상 적층된 적층수 균일구간과 집전판을 레이저로 용접하면 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 증대시키더라도 적층수 균일구간이 레이저의 에너지를 대부분 흡수하여 용접 비즈를 형성하게 되므로 레이저에 의해 절곡 표면영역(F) 아래의 분리막과 활물질층이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 레이저가 조사되는 영역은 분절편의 적층수가 10 이상이므로 용접 비즈가 충분한 볼륨과 두께로 형성된다. 따라서, 용접 강도가 충분히 확보될 수 있고 용접 계면의 저항도 급속 충전에 적합한 수준으로 낮출 수 있다.
집전판의 용접 시 레이저의 출력은 절곡 표면영역(F)과 집전판 사이의 소망하는 용접 강도에 의해 결정될 수 있다. 용접 강도는 분절편의 적층수에 비례하여 증가한다. 적층수가 증가할수록 레이저에 의해 형성되는 용접 비즈의 볼륨이 커지기 때문이다. 용접 비즈는 집전판의 소재와 분절편의 소재가 함께 용융되면서 형성된다. 따라서 용접 비즈의 볼륨이 크면 집전판과 절곡 표면영역의 결합이 보다 강하게 이루어지고 용접 계면의 접촉 저항이 낮아지는 것이다.
바람직하게, 용접 강도는 2kgf/cm2 이상, 더욱 바람직하게는 4kgf/cm2이상일 수 있다. 또한, 용접 강도는 바람직하게 8kgf/cm2 이하, 더욱 바람직하게 6kgf/cm2 이하로 설정될 수 있다.
용접 강도가 상기 수치범위를 충족할 경우, 권취 축 방향 및/또는 반경 방향을 따라 전극 조립체에 심한 진동이 인가되더라도 용접 계면의 물성이 저하되지 않으며, 용접 비즈의 볼륨이 충분하여 용접 계면의 저항도 감소시킬 수 있다.
용접 강도 조건을 충족시키기 위한 레이저의 출력은 레이저 장비에 따라 차이는 있는데, 250W 내지 320W의 범위 또는 해당 장비가 제공하는 레이저 최대 출력 사양의 40% 내지 90% 범위에서 적절하게 조절될 수 있다.
용접 강도는 집전판이 절곡 표면영역(F)으로부터 분리되기 시작할 때 집전판의 단위 면적당 인장력(kgf/cm2)으로서 정의될 수 있다. 구체적으로, 집전판의 용접을 완료한 후 집전판에 인장력을 가하되 그 크기를 점차 증가시킬 수 있다. 인장력이 임계치를 초과하면 용접 계면으로부터 분절편이 분리되기 시작한다. 이 때, 집전판에 가해진 인장력을 집전판의 면적으로 나눈 값이 용접 강도에 해당한다.
절곡 표면영역(F)은 분절편이 복수의 레이어로 적층되어 있으며, 전술한 실시예들에 따르면, 분절편의 적층수는 최소 10 장에서 최대 35장까지 증가할 수 있다.
양극 집전체의 두께는 10um 내지 25um이고 음극 집전체의 두께는 5um 내지 20um의 범위에서 선택될 수 있다. 따라서, 양극의 절곡 표면영역(F)에서 분절편의 총 적층 두께는 100um 내지 875um인 영역을 포함할 수 있다. 또한, 음극의 절곡 표면영역(F)은 분절편의 총 적층 두께가 50um 내지 700um인 영역을 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들에 의해 형성된 절곡 표면영역(F)에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 12를 참조하면, 분절편(61)의 절곡 표면영역(F)은 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 전극 조립체(JR)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된다. 도 12에 있어서, 일점 쇄선으로 나타낸 2개의 원 사이의 영역은 분절편(61)의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)에 해당하고, 적층수 균일구간(b1)의 외측 영역은 적층수 감소구간(b2)에 해당한다.
일 예에서, 집전판(Pc)가 분절편 정렬부(66)의 분절편(61)들이 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)에 용접되면, 집전판(Pc)의 표면에 용접 패턴(Wp)이 생긴다. 용접 패턴(Wp)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 용접 영역에 해당하고, 반경 방향을 따라 분절편의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩될 수 있다. 따라서, 용접 패턴(Wp)의 일부는 적층수 균일구간(b1)에 포함되고, 용접 패턴(Wp)의 나머지는 적층수 균일구간(b1) 바깥쪽의 적층수 감소구간(b1)에 포함될 수 있다. 물론, 용접 패턴(Wp) 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다.
바람직하게, 집전판(Pc)가 절곡 표면영역(F)과 접촉하는 부분의 가장자리는 마지막 권회턴에서 코어(C) 측으로 절곡된 분절편(61)의 단부를 덮을 수 있다. 이 경우, 분절편(61)들이 집전판(Pc)에 의해 눌린 상태에서 용접 패턴(Wp)이 형성됨으로써, 집전판(Pc)와 절곡 표면영역(F)이 강하게 결합된다. 그 결과, 권회 축 방향으로 적층된 분절편들(45)이 서로 서로 긴밀하게 밀착됨으로써 용접 계면에서의 저항도 낮아지고 분절편(61)의 들뜸 현상을 방지할 수 있다.
한편, 분절편의 절곡 방향은 상술한 바와 반대가 될 수 있다. 즉, 분절편은 코어측로부터 외주측으로 절곡될 수 있다. 이 경우, 분절편 그룹(61g)에 포함된 분절편(61)의 높이가 권취 방향(X축) 방향을 따라 변화되는 패턴은 상술한 실시예들(변형예들)과 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 분절편(61)의 높이는 코어로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 낮아질 수 있다. 또한, 제1부분(B1)에 적용되는 구조와 제2부분(B3)에 적용되는 구조가 서로 스위치될 수 있다. 바람직하게, 분절편(61)의 높이를 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 감소시키되, 전극 조립체의 외주와 가장 가까운 분절편(61)이 외주측으로 절곡되었을 때 분절편(61)의 단부가 전극 조립체의 외주 밖으로 돌출되지 않도록 분절편의 높이 변화 패턴이 설계될 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리롤 타입의 전극 조립체에 포함된 극성이 다른 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나에 실시예들(변형예들)의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극 구조가 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극에 적용된 전극 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
일 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 적용되고 제2전극에는 종래의 전극 구조(도1 참조)가 적용될 수 있다.
다른 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용되고 제2전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A(AxMy)O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2 -(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1xFe1 - xM2yP1 - yM3zO4 -z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 화학량론 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3 - PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 구조에 관해 상세히 설명한다.
도 13은 실시예의 전극(60)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(100)를 자르되, 분절편 정렬부(66)를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 13을 참조하면, 제1전극의 무지부(43a)는, 전극 조립체(100)의 코어에 인접한 제1부분(B1), 전극 조립체(100)의 외주 표면에 인접한 제2부분(B3), 및 제1부분(B1) 및 제2부분(B3) 사이에 개재된 제3부분(B2)를 포함한다.
제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 분절편(61)의 절곡 길이는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H)는 최내측 분절편(61)이 절곡되는 지점부터 분절편(61) 상단까지의 거리에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성되는 권회턴의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 절곡되더라도 전극 조립체(100)의 코어(102)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(102)는 전극 조립체(100)의 중심에 있는 공동(cavity)이다. 코어(102)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(102)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2부분(B3)의 무지부 높이는 분절편(61)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3)의 권회턴 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 전극 조립체(100)의 상단 가장자리가 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
일 변형예에서, 제2부분(B3)은 분절편 정렬부(66)를 형성하는 분절편(61)을 포함할 수 있고, 제2부분(B3)의 분절편(61) 높이는 도 13에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 13에는, 분절편 정렬부(66)의 분절편(61) 높이가 외주측 일부분이 동일하다. 하지만 분절편 정렬부(66)의 분절편(61) 높이는 제1부분(B1)와 제3부분(B2)의 경계부터 제3부분(B2)와 제2부분(B3)의 경계까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 분절편 정렬부(66)에 있어서 분절편(61)의 높이가 변하는 구간은 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)에 해당한다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 단부(101)는 전극 조립체(100)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)과 제2부분(B3)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
분절편 정렬부(66)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(110)를 자르되 분절편 정렬부(66)를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14를 참조하면, 전극 조립체(110)는 도 13의 전극 조립체(100)와 비교하여 제2부분(B3)에도 분절편 정렬부(66)를 형성하는 분절편(61)들이 포함되고 제2부분(B3)의 분절편(61) 높이가 제3부분(B2)의 최외측에 있는 분절편(61) 높이와 실질적으로 동일하다는 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(110)에 있어서, 제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 분절편 정렬부(66)에 있어서 최내측에 위치한 분절편(61)의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 바람직하게, 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10의 ①)일 수 있다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(112) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 절곡되더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
일 변형예에서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)의 높이가 코어측으로부터 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 증가하는 구조는, 제2부분(B3)에 의해 형성되는 권회턴들까지 확장될 수 있다. 이 경우, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 높이는 제1부분(B1)와 제3부분(B2)의 경계부터 전극 조립체(110)의 최외측 표면까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 단부(111)는 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
분절편 정렬부(66)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(120)를 자르되 분절편 정렬부(66)를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15를 참조하면, 전극 조립체(120)는 도 13의 전극 조립체(100)와 비교하여 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 높이가 점진적 또는 단계적으로 증가하였다가 감소하는 패턴을 가지는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 분절편(61)들의 높이가 변화하는 반경 구간은 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②)으로 간주될 수 있다. 이 경우에도, 분절편(61)의 높이 가변 구간은 분절편(61)들이 절곡되면서 형성되는 절곡 표면영역(F)에 분절편(61)의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간이 앞서 설명된 바람직한 수치범위로 나타나도록 설계될 수 있다.
전극 조립체(120)에 있어서, 제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 코어(122)와 가장 인접한 분절편(61)의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들에 대응되는 구간은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10의 ①)에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 코어측을 향해 절곡되더라도 전극 조립체(120)의 코어(122)는 직경의 90% 이상의 외부로 개방된다. 코어(122)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(122)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 제2부분(B3)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작으며, 바람직하게는 제2부분(B3)에는 분절편(61)이 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들의 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 전극 조립체(120)의 단부 가장자리가 서로 접촉되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 일 변형예에서, 제2부분(B3)은 분절편 정렬부(66)를 형성하는 분절편들을 포함할 수 있고, 제2부분(B3)의 분절편 높이는 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 단부(121)는 전극 조립체(120)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
분절편 정렬부(66)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(130)를 자르되 분절편 정렬부(66)를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16을 참조하면, 전극 조립체(130)는 도 15의 전극 조립체(120)와 비교하여 제2부분(B3)에 분절편 정렬부(66)를 형성하는 분절편(61)들이 포함되어 있고 분절편(61) 높이가 제2부분(B3)와 제3부분(B2)의 경계 지점부터 전극 조립체(130)의 최외측 표면을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 패턴을 가지는 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(130)에 있어서, 제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 코어(132)와 가장 인접한 분절편(61)의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10의 ①)에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들이 코어측을 향해 절곡되더라도 전극 조립체(130)의 코어(132)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(132)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(132)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 단부(131)는 전극 조립체(130)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
분절편 정렬부(66)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
한편, 상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들의 단부는 코어측으로부터 외주측으로 절곡될 수 있다. 이 경우, 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10의 ①)으로 설계되고, 외주측을 향해 절곡되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 폭은 최외측의 분절편이 절곡되는 길이보다 같거나 클 수 있다. 그래야만, 최외측 분절편이 외주측으로 절곡될 때 절곡 부위의 단부가 전극 조립체의 외주면을 초과하여 전지 하우징의 내면을 향해 돌출되지 않는다. 또한, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편들의 구조 변화 패턴은 상술한 실시예들(변형예들)과 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 분절편의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 분절편 생략 구간(도 10의 ①), 분절편의 높이 가변 구간(도 10의 ②) 및 분절편의 높이 균일 구간(도 10의 ③)을 순서대로 배치시킴으로써, 절곡 표면영역(F)에서 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간이 바람직한 수치범위로 나타나도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 젤리롤 타입의 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
원통형 배터리의 직경은 35mm 이상, 바람직하게는 40mm 내지 50mm일 수 있다. 원통형 배터리의 높이는 70mm 이상, 바람직하게는 75mm 내지 90mm일 수 있다. 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리 일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡 표면영역에 집전판을 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 절곡 표면영역에서 무지부의 적층수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 배터리, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 자르되 분절편 정렬부(도 7g의 66)에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역(도 7g의 F)를 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)은 제1전극, 분리막 및 제2전극을 포함하는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수납하는 전지 하우징(142) 및 전지 하우징(142)의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
전지 하우징(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 전지 하우징(142)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 전지 하우징(142)은 표면에는 니켈 코팅층이 형성될 수 있다. 전지 하우징(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(110)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다.
전해질은 A+B--와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B--는 F--, Cl--, Br--, I--, NO3 --, N(CN)2 --, BF4 --, ClO4 --, AlO4 --, AlCl4 --, PF6 --, SbF6 --, AsF6 --, BF2C2O4 --, BC4O8 --, (CF3)2PF4 --, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 --, (CF3)5PF--, (CF3)6P--, CF3SO3 --, C4F9SO3 --, CF3CF2SO3 --, (CF3SO2)2N--, (FSO2)2N-- ,　CF3CF2(CF3)2CO--, (CF3SO2)2CH--, (SF5)3C--, (CF3SO2)3C--, CF3(CF2)7SO3 --, CF3CO2 --, CH3CO2 -,SCN--　및 (CF3CF2SO2)2N--로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
전극 조립체(110)는, 젤리롤 형상을 가질 수 있다. 전극 조립체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 제1전극, 상부 분리막 및 제2전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
제1전극과 제2전극은 극성이 다르다. 즉 하나가 양의 극성을 띠면 다른 하나는 음의 극성을 띤다. 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1전극과 제2전극 중 다른 하나는 종래의 전극 구조 또는 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 전극 조립체(110)에 포함되는 전극 쌍(pair)은 하나로 한정되지 않고 둘 이상일 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에는, 도 7f에 도시된 바와 같이, 각각 제1전극의 제1무지부(146a)와 제2전극의 제2무지부(146b)에 포함된 분절편들에 의해 형성된 분절편 정렬부(도 7f의 66 참조)가 구비된다.
분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편들은 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡되면서 절곡 표면영역(F)을 형성한다.
제1부분(B1)은 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편이 없는 분절편 생략 구간(a1)에 대응하므로 코어측을 향해 절곡되지 않는다.
바람직하게, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(110)의 외주에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편이 존재하는 반경 방향 길이(c)를 기준으로 분절편의 높이 가변 구간(a2)에 대한 비율(a2/c)과 분절편의 적층수 균일구간(b1)에 대한 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전판(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접되고, 제2집전판(145)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접될 수 있다. 용접 방법은 초음파 용접, 저항 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
바람직하게, 제1집전판(144)와 제2집전판(145)의 용접 영역(W) 중에서 50% 이상의 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될수 있다. 선택적으로(optionally), 용접 영역(W)의 나머지 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 높은 용접 강도, 용접 계면의 낮은 저항, 분리막이나 활물질층의 손상 방지 등의 측면에서, 용접 영역(W)의 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩되는 것이 보다 바람직하다.
바람직하게, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로(optionally) 적층수 감소구간(b2)에서, 분절편의 적층수는 10 내지 35일 수 있다.
선택적으로, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 감소구간(b2)의 분절편 적층수가 10 미만인 경우, 적층수 감소구간(b2)의 레이저 출력을 적층수 균일구간(b1)의 레이저 출력보다 낮출 수 있다. 즉, 용접 영역(W)이 적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 동시에 중첩될 경우, 레이저의 출력을 분절편의 적층수에 따라 가변시킬 수 있다. 이 경우, 적층수 균일구간(b1)의 용접 강도가 적층수 감소구간(b2)의 용접 강도보다 더 클 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서 분절편 생략 구간(a1) 및/또는 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및/또는 분절편의 높이 균일 구간(a3)의 반경 방향 길이는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
또한, 전극 조립체(110)의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)은 면대칭 구조를 형성할 수 있다. 따라서, 상부의 절곡 표면영역(F)을 하부의 절곡 표면영역(F)을 향해 투영했을 때 실질적으로 서로 중첩될 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1부분(B1)의 무지부 높이가 다른 부분보다 상대적으로 작다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 코어와 가장 인접한 분절편의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(112) 반경의 10%를 합산한 값보다 작다.
따라서, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편들을 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전판(145)와 전지 하우징(142) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
바람직하게, 제1집전판(144)와 제2집전판(145)는 제1전극 및 제2전극의 마지막 권회턴에서 절곡된 분절편(도 12의 61 참조)의 단부를 덮는 외경을 가질 수 있다. 이 경우, 절곡 표면영역(F)을 형성하는 분절편들이 집전판에 의해 균일하게 눌려진 상태에서 용접이 가능하고 용접 이후에도 분절편의 긴밀한 적층 상태가 잘 유지될 수 있다. 긴밀한 적층상태는 도 10에 도시된 것처럼 분절편들 사이에 틈이 실질적으로 없는 상태를 의미한다. 긴밀한 적층상태는 원통형 배터리(190)의 저항을 급속 충전에 적합한 수준(예컨대 4밀리오옴) 이하로 낮추는데 기여한다.
밀봉체(143)는 캡 플레이트(143a), 캡 플레이트(143a)와 전지 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 제1가스켓(143b) 및 상기 캡 플레이트(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡 플레이트(143a)는, 제1전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결되며, 전지 하우징(142)과는 제1가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡 플레이트(143a)는, 원통형 배터리(190)의 제1전극 단자(예컨대, 양극)로서 기능할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전지 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡 플레이트(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 전지 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 전지 하우징(142)과 캡 플레이트(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 제1가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡 플레이트(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
전지 하우징(142)은 제2전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 하우징(142)은 제2전극과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극이 음의 극성을 가지면, 전지 하우징(142) 또한 음의 극성을 가진다.
전지 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(110)가 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
제1전극의 제2부분(B3)은 분절편을 포함하지 않고 제1부분(B1)과 동일한 구조로 노칭되어 있을 수 있다. 바람직하게, 비딩부(147)의 내주면은, 제1전극의 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들과 소정 간격 이격될 수 있다. 제2부분(B3)이 제1부분(B1)처럼 노칭되어 있기 때문이다. 보다 구체적으로, 비딩부(147)의 내주면 하단이, 제1전극의 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들과 소정 간격 이격되어 있다. 또한, 제2부분(B3)의 무지부는 높이가 낮기 때문에 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 외부에서 압입할 때에도 제2부분(B3)의 권회턴들은 실질적으로 영향을 받지 않는다. 따라서, 제2부분(B3)의 권회턴들이 비딩부(147) 등의 다른 구성요소에 의해 압박되지 않으며, 이로써 전극 조립체(110)의 부분적 형태 변형이 발생되는 것이 방지되어, 원통형 배터리(190) 내부의 단락을 방지할 수 있다.
바람직하게, 비딩부(147)의 압입 깊이를 D1으로 정의하고, 전지 하우징(142)의 내주면으로부터 제2부분(B3)와 제3부분(B2)의 경계 지점까지의 반경 방향 길이를 D2라고 정의할 때, 관계식 D1 ≤ D2가 만족될 수 있다. 이 경우, 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 압입할 때 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들의 손상이 실질적으로 방지된다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡 플레이트(143a)의 외주면, 그리고 캡 플레이트(143a)의 상면 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(190)은 제1집전판(144) 및/또는 제2집전판(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
제1집전판(144)는 전극 조립체(110)의 상부에 결합된다. 제1집전판(144)는 알루미늄, 구리, 스틸, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제1전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 용접을 통해 이루어질 수 있다. 제1집전판(144)에는 리드(149)가 연결될 수 있다. 리드(149)는 전극 조립체(110)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡 플레이트(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 리드(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
바람직하게, 제1집전판(144)는 리드(149)와 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 리드(149)는 제1집전판(144)의 중심부 근처로부터 외측으로 연장된 길다란 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제1집전판(144)과 제1전극의 절곡 표면영역(F)간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전판 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 제1집전판(144)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접은 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수 있다. 이 경우, 솔더는 제1집전판(144)와 제1무지부(146a)와 비교하여 더 낮은 융점을 가질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
전극 조립체(110)의 하면에는 제2집전판(145)가 결합될 수 있다. 제2집전판(145)의 일 면은 제2전극의 절곡 표면영역(F)와 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 전지 하우징(142)의 내측 바닥 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 제2집전판(145)와 제2전극의 절곡 표면영역(F) 사이의 결합 구조는 제1집전판(144)와 제1전극의 절곡 표면영역(F) 사이의 결합 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
인슐레이터(146)는 제1집전판(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전판(144)의 상면에서 제1집전판(144)를 커버함으로써, 제1집전판(144)와 전지 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전판(144)로부터 상방으로 연장되는 리드(149)가 인출될 수 있도록, 리드 홀(151)을 구비한다. 리드(149)는 리드 홀(151)을 통해 상방으로 인출되어 연결 플레이트(143c)의 하면 또는 캡 플레이트(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전판(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(110) 및 제1집전판(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(110) 및 제1집전판(144)의 결합체는, 배터리(140)의 높이 방향의 이동이 제한되어 배터리(140)의 조립 안정성이 향상될 수 있다.
인슐레이터(146)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 인슐레이터(146)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
전지 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 전지 하우징(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리(190)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다. 벤트부(152)가 파열되는 내부 압력은 대략 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2일 수 있다.
벤팅부(152)가 전지 하우징(142)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 변형 예에서, 벤팅부(152)는 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 자르되 분절편 정렬부(도 7g의 66)에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역(도 7g의 F)를 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18을 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 17에 도시된 원통형 배터리(190)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리(200)은 리벳 단자(172)가 관통 설치된 전지 하우징(171)을 포함한다. 리벳 단자(172)는 전지 하우징(171)의 폐쇄면(도면의 상부면)에 형성된 관통 홀을 통해 설치된다. 리벳 단자(172)는 절연성 물질로 이루어진 제2가스켓(173)이 개재된 상태에서 전지 하우징(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 리벳 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
리벳 단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 전지 하우징(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부를 관통하여 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리 내측에는 평탄부(172c)가 포함된다. 리벳팅된 단자 삽입부(172b) 하부의 최대 지름은 전지 하우징(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 평탄부(172c)는 제1전극의 절곡 표면영역(F)에 연결된 제1집전판(144)의 중앙부에 용접될 수 있다. 용접 방법으로는 레이저 용접이 바람직하나, 초음파 용접 등의 다른 용접 방식으로 대체 가능하다.
제1집전판(144)와 전지 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전판(144)의 상부와 전극 조립체(110)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 전극 조립체(110)의 제2부분(B3)가 다른 극성을 가진 전지 하우징(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
인슐레이터(174)의 두께는 제1집전판(144)의 상면과 전지 하우징(171)의 폐쇄부 내측면 사이의 거리에 대응하거나 약간(slightly) 더 크다. 따라서, 인슐레이터(174)는 제1집전판(144)의 상면과 전지 하우징(171) 폐쇄부의 내측면과 접촉할 수 있다.
리벳 단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)의 관통홀을 통해 제1집전판(144)에 용접될 수 있다. 인슐레이터(174)에 형성된 관통홀의 직경은 단자 삽입부(172b) 하단의 리벳팅부의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게, 관통홀은 단자 삽입부(172b)의 하부와 제2가스켓(173)을 노출시킬 수 있다.
제2가스켓(173)은 전지 하우징(171)과 리벳 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 하우징(171)과 리벳 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 하우징(171)의 상면이 원통형 배터리(200)의 제2전극 단자(예컨대, 음극)로서 기능할 수 있다.
제2가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 리벳 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 리벳 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 제2가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 리벳 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 제2가스켓(173)이 리벳 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 하우징(171)의 상면 및/또는 리벳 단자(172)에 결합시키는 과정에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 가스켓 노출부(173a)는, 단자 노출부(172a)의 외주면뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다.
제2가스켓(173)이 고분자 수지로 이루어지는 경우에 있어서, 제2가스켓(173)은 열 융착에 의해 전지 하우징(171) 및 리벳 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 제2가스켓(173)과 리벳 단자(172)의 결합 계면 및 제2가스켓(173)과 전지 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 리벳 단자(172)는 인서트 인젝션 몰딩에 의해 제2가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
전지 하우징(171)의 상면 중에서 리벳 단자(172) 및 제2가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 리벳 단자(172)와 반대 극성을 갖는 제2전극 단자에 해당한다.
제2집전판(176)은, 전극 조립체(141)의 하부에 결합된다. 제2집전판(176)은 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 제2집전판(176)은, 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2집전판(176)는 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 일 예에서, 제2집전판(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(180)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전판(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전판(176)과 제2전극의 절곡 표면영역(F)은, 예컨대 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 또한, 제2집전판(176)과 절곡 표면영역(F)의 용접 부위는 비딩부(180)의 내주면을 기준으로 코어(C) 측으로 소정 간격 이격될 수 있다.
전지 하우징(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 캡 플레이트(178a)와 제1가스켓(178b)을 포함한다. 제1가스켓(178b)은 캡 플레이트(178a)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡 플레이트(178a)의 가장자리와 제1가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡 플레이트(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다. 캡 플레이트(178a)의 하부면은 클림핑부(181) 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 이 경우, 캡 플레이트(178a)의 하부에 공간이 형성되어 벤팅이 원활하게 이루어진다. 특히, 클림핑부(181)가 중력 방향을 향하도록 원통형 배터리(200)이 설치될 경우 유용하다.
바람직하게, 캡 플레이트(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡 플레이트(178a)와 전지 하우징(171) 사이에 제1가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡 플레이트(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 전지 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(200)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 주로 한다. 내부 압력의 임계치는 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2이다.
바람직하게, 제1전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된 리벳 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전판(176)을 통해 제2전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된 전지 하우징(171)의 상부 표면 중에서 리벳 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리(200)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(200)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제2전극 단자로 사용되는 부분(175)은 대략 플랫한 형태를 가지므로 버스바 등의 전기적 연결 부품을 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(200)은 전기적 연결 부품의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(210)을 자르되 분절편 정렬부(도 7g의 66)에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역(도 7g의 F)를 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19를 참조하면, 원통형 배터리(210)은 도 13에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 17에 나타낸 원통형 배터리(190)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 13 및 도 17을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(100)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 복수의 분절편 그룹(61g)을 포함한다. 복수의 분절편 그룹(61g)은 전극 조립체(100)의 상부 및 하부에 분절편 정렬부(도 7f의 66)를 형성한다. 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)들은 전극 조립체(100)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 제1무지부(146a)의 제1부분(B1)과 제2부분(B3)의 무지부는 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편을 포함하지 않으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 제2무지부(146b)의 경우도 동일하다.
본 실시예에서도, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편(61)에 의해 형성되는 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다. 다만, 제2부분(B3)의 무지부가 절곡되지 않으므로 절곡 표면영역(F)의 반경 방향 길이는 전술한 실시예의 경우보다 짧을 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(100)의 제2부분(B3)의 권회턴들에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편이 존재하는 반경 방향 길이(c)를 기준으로 분절편의 높이 가변 구간(a2)에 대한 비율(a2/c)과 분절편의 적층수 균일구간(b1)에 대한 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전판(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 용접되고, 제2집전판(145)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접될 수 있다.
적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 용접 영역(W)의 중첩 관계, 제1집전판(144)와 제1집전판(145)의 외경, 제1부분(B1)이 코어를 폐색하지 않는 구성 등은 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
한편, 제2부분(B3)는 분절편을 포함하지 않고 무지부 높이가 제3부분(B2)의 분절편들보다 낮다. 따라서, 제3부분(B2)의 분절편들이 절곡될 때 제2부분(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다. 또한, 제2부분(B3)의 권회턴들은 비딩부(147)와 충분히 이격되어 있으므로, 비딩부(147)가 압입되는 과정에서 제2부분(B3)의 권회턴들이 손상되는 문제를 해결할 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(220)을 자르되 분절편 정렬부(도 7g의 66)에 포함된 분절편들의 절곡 표면영역(도 7g의 F)를 통과하도록 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20을 참조하면, 원통형 배터리(220)은 도 13에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 18에 나타낸 원통형 배터리(200)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 13 및 도 18을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(100)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 복수의 분절편 그룹(61g)을 포함하고, 복수의 분절편 그룹(61g)은 반경 방향으로 배열되어 분절편 정렬부(도 7f의 66)를 형성한다. 또한, 분절편 정렬부(66)에 포함된 분절편들은 전극 조립체(100)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡되어 절곡 표면영역(F)을 형성한다. 이 때, 제1무지부(146a)의 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)는 무지부 높이가 다른 부분보다 낮고 분절편을 포함하지 않으므로 코어측으로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 제2무지부(146b)의 경우도 마찬가지이다.
따라서, 본 실시예에서도, 도 19의 실시예와 마찬가지로, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다. 다만, 제2부분(B3)의 무지부가 절곡되지 않으므로 절곡 표면영역(F)의 반경 방향 길이는 전술한 실시예보다 짧을 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(100)의 제2부분(B3)의 권회턴들에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편이 존재하는 반경 방향 길이(c)를 기준으로 분절편의 높이 가변 구간(a2)에 대한 비율(a2/c)과 분절편의 적층수 균일구간(b1)에 대한 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전판(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 용접되고, 제2집전판(176)은 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접될 수 있다.
적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 용접 영역(W)의 중첩 관계, 제1집전판(144)와 제2집전판(176)의 외경, 제1부분(B1)이 코어를 폐색하지 않는 구성 등은 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 리벳 단자(172)를 포함하는 원통형 배터리(200,220)에 포함되어 있는 제1집전판(144)와 제2집전판(176)은 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같은 개선된 구조를 가질 수 있다.
제1집전판(144)와 제2집전판(176)의 개선된 구조는 원통형 배터리의 저항을 낮추고 진동 내성을 향상시키며 에너지 밀도를 향상시키는데 기여할 수 있다. 특히 제1집전판(144)와 제2집전판(176)는 직경 대비 높이의 비율이 0.4 보다 큰 대형 원통형 배터리에 사용되었을 때 보다 효과적이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전판(144)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 20과 도 21을 함께 참조하면, 제1집전판(144)은, 테두리부(144a), 제1 무지부 결합부(144b) 및 단자 결합부(144c)를 포함할 수 있다. 상기 테두리부(144a)는, 전극 조립체(100)의 상부에 배치된다. 상기 테두리부(144a)는, 그 내부에 빈 공간(Sopen)이 형성된 대략 림(rim) 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 테두리부(144a)가 대략 원형의 림 형태를 갖는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 테두리부(144a)는, 도시된 것과는 달리 대략 사각의 림 형태, 육각의 림 형태, 팔각의 림 형태 또는 그 밖의 다른 림 형태를 가질 수도 있는 것이다. 상기 테두리부(144a)의 수는 2개 이상으로 증가시킬 수 있다. 이 경우, 상기 테두리부(144a)의 내측에 림 형태의 또 다른 테두리부가 포함될 수 있다.
상기 단자 결합부(144c)는, 리벳 단자(172)의 바닥면에 형성된 평탄부(172 c)와의 결합을 위한 용접 면적 확보를 위해 상기 리벳 단자(172)의 바닥면에 형성된 평탄부(172c)의 직경과 동일하거나 더 큰 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 테두리부(144a)로부터 내측으로 연장되며 용접을 통해 무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)과 결합된다. 상기 단자 결합부(144c)는, 제1 무지부 결합부(144b)와 이격되어 테두리부(144a)의 내측에 위치한다. 상기 단자 결합부(144c)는, 리벳 단자(172)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 예를 들어 테두리부(144a)에 의해 둘러싸인 내측 공간(Sopen)의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀이 단자 결합부(144c)의 외측으로 노출되지 않도록 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀보다 더 큰 직경 또는 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)와 단자 결합부(144c)는, 직접적으로 연결되지 않고 서로 이격되도록 배치되며 테두리부(144a)에 의해 간접적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 상기 제1집전판(144)은, 제1 무지부 결합부(144b)와 단자 결합부(144c)가 서로 직접 연결되어 있지 않고, 테두리부(144a)를 통해서 연결된 구조를 가짐으로써 원통형 배터리(220)에 충격 및/또는 진동이 발생하는 경우 제1 무지부 결합부(144b)와 제1 무지부(146a) 간의 결합 부위와 단자 결합부(144c)와 리벳 단자(172) 간의 결합 부위에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있다. 본 발명의 도면에서는, 상기 제1 무지부 결합부(144b)가 4개인 경우만이 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 무지부 결합부(144b)의 개수는 형상의 복잡성에 따른 제조의 난이도, 전기 저항, 전해질 함침성을 고려한 테두리부(144a)의 내측 공간(Sopen) 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
상기 제1집전판(144)은, 테두리부(144a)로부터 내측으로 연장되며 단자 결합부(144c)와 연결되는 브릿지부(144d)를 더 포함할 수 있다. 상기 브릿지부(144d)는, 적어도 그 일부가 제1 무지부 결합부(144b) 및 테두리부(144a)와 비교하여 그 단면적이 더 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 브릿지부(144d)는, 적어도 그 일부가 제1 무지부 결합부(144b)와 비교하여 폭 및/또는 두께가 더 작게 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(144d)에서 전기 저항이 증가한다. 그 결과, 상기 브릿지부(144d)를 통해 전류가 흐를 때 상대적으로 큰 저항이 브릿지부(144d)의 일부에서 과전류 히팅(heating)으로 인한 용융을 일으킨다. 이로써, 과전류가 비가역적으로 차단된다. 상기 브릿지부(144d)는 이러한 과전류 차단 기능을 고려하여 그 단면적이 적절한 수준으로 조절될 수 있다.
상기 브릿지부(144d)는, 테두리부(144a)의 내측면으로부터 단자 결합부(144c)를 향하는 방향을 따라 그 폭이 점점 좁아지는 테이퍼부(144e)를 구비할 수 있다. 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 브릿지부(144d)와 테두리부(144a)의 연결 부위에서 부품의 강성이 향상될 수 있다. 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 원통형 배터리(220)의 제조 공정에 있어서, 예를 들어 이송 장비 및/또는 작업자가 테이퍼부(144e)를 파지함으로써 제1집전판(144) 및/또는 제1집전판(144)와 전극 조립체(100)의 결합체를 용이하고 안전하게 이송할 수 있다. 즉, 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 제1 무지부 결합부(144b) 및 단자 결합부(144c)와 같이 다른 부품과 용접이 이루어지는 부분을 파지함으로써 발생될 수 있는 제품의 불량 발생을 방지할 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 동일 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 연장 길이는 서로 대략 동일할 수 있다. 상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)과 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 용접은 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체될 수 있다.
제1 무지부 결합부(144b)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접에 의해 형성되는 용접 패턴(144f)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 연장될 구조를 가질 수 있다. 용접 패턴(144f)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다.
상기 용접 패턴(144f)은 용접 영역에 해당한다. 따라서, 상기 용접 패턴(144f)은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하다. 적층수 균일구간(b1)과 중첩되지 않는 용접 패턴(144f)은 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 더욱 바람직하게, 용접 패턴(144f) 전체가 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다. 용접 패턴(144f)이 형성되어 있는 지점의 하부에 있는 절곡 표면영역(F) 중에서 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로, 적층수 감소구간(b2)은 분절편의 적층수가 10 이상인 것이 바람직하다.
상기 단자 결합부(144c)는, 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b)에 의해 둘러 싸이도록 배치될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 리벳 단자(172)의 평탄부(172c)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 브릿지부(144d)는, 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(144d)로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 브릿지부(144d)로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 나머지 하나에 이르는 거리와 대략 동일할 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 단면적은 대략 동일하게 형성될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 폭 및 두께는 대략 동일하게 형성될 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 브릿지부(144d)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 브릿지부(144d) 각각은, 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 사이에 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(144d)는, 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 대략 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(144d) 각각으로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 나머지 하나의 제1 무지부 결합부(144b)에 이르는 거리와 대략 동일할 수 있다.
상술한 바와 같이 제1 무지부 결합부(144b) 및/또는 브릿지부(144d)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 제1 무지부 결합부(144b)들 간의 거리 및/또는 브릿지부(144d)들 간의 거리 및/또는 제1 무지부 결합부(144b)와 브릿지부(144d) 간의 거리가 일정하게 형성되면, 제1 무지부 결합부(144b)로부터 브릿지부(144d)를 향하는 전류 또는 브릿지부(144d)로부터 제1 무지부 결합부(144b)를 향하는 전류의 흐름이 원활하게 형성될 수 있다.
브릿지부(144d)는, 브릿지부(144d)의 단면적을 부분적으로 감소시키도록 형성되는 노칭부(N)를 구비할 수 있다. 노칭부(N)의 단면적의 조절은, 예를 들어 브릿지부(144d)의 폭 및/또는 두께의 부분적인 감소를 통해 실현될 수 있다. 노칭부(N)가 구비되는 경우, 노칭부(N)가 형성된 영역에서의 전기 저항이 증가하게 되고, 이로써 과전류 발생 시에 신속한 전류 차단이 가능하게 된다.
노칭부(N)는, 파단 시에 발생되는 이물질이 전극 조립체(100)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해, 전극 조립체(100)의 적층수 균일구간과 대응되는 영역에 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 이 영역에서는 무지부(146a)의 분절편들의 적층수가 최대로 유지되고, 이로써 중첩된 분절편들이 마스크(mask)로서 기능할 수 있기 때문이다.
노칭부(N)는 절연 테이프로 감싸여질 수 있다. 그러면, 노칭부(N)에서 발생된 열이 외부로 발산되지 않으므로, 과전류가 브릿지부(144d)를 통해서 흐를 때 노칭부(N)의 파단이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전판(176)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 20과 도 22를 함께 참조하면, 제2집전판(176)은, 전극 조립체(100)의 하부에 배치된다. 또한, 상기 제2집전판(176)은, 전극 조립체(100)의 무지부(146b)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 제2집전판(176)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제2집전판(176)은, 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2집전판(176)은, 가장자리 부분이 전지 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2집전판(176)은, 가장자리 부분이 전지 하우징(171)의 비딩부(180)의 하면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 이와는 달리, 상기 제2집전판(176)은, 가장자리 부분이 비딩부(180)가 형성되지 않은 영역에서 전지 하우징(171)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
상기 제2집전판(176)은, 전극 조립체(100)의 하부에 배치되는 지지부(176a), 상기 지지부(176a)로부터 대략 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 연장되어 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 결합되는 제2 무지부 결합부(176b) 및 상기 지지부(176a)로부터 대략 전극 조립체(100)의 반경 방향을 기준으로 경사 방향을 따라 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 연장되어 내측 면 상에 결합되는 하우징 결합부(176c)를 포함할 수 있다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)는, 지지부(176a)를 통해 간접적으로 연결되며, 서로 직접 연결되지 않는다. 따라서, 본 발명의 원통형 배터리(220)에 외부 충격이 가해졌을 때, 제2집전판(176)과 전극 조립체(100)의 결합 부위 및 제2집전판(176)과 전지 하우징(171)의 결합 부위에 손상 발생 가능성을 최소화 할 수 있다. 다만, 본 발명의 제2집전판(176)이 이처럼 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)가 간접적으로만 연결된 구조를 갖는 경우로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제2집전판(176)은, 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)를 간접적으로 연결시키는 지지부(176a)를 구비하지 않는 구조 및/또는 무지부(146b)와 하우징 결합부(176c)가 서로 직접 연결된 구조를 가질 수도 있는 것이다.
상기 지지부(176a) 및 제2 무지부 결합부(176b)는 전극 조립체(100)의 하부에 배치된다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)는, 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 결합된다. 상기 제2 무지부 결합부(176b) 뿐만 아니라, 상기 지지부(176a) 역시 무지부(146b)와 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)와 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)은 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 용접은 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 상기 지지부(176a) 및 제2 무지부 결합부(176b)는, 전지 하우징(171)에 비딩부(180)가 형성되는 경우에 있어서 비딩부(180)보다 상부에 위치한다.
상기 지지부(176a)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성되는 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전판 홀(176d)을 구비한다. 서로 연통되는 상기 전극 조립체(100)의 코어(C)와 집전판 홀(176d)은, 리벳 단자(172)와 제1집전판(144)의 단자 결합부(144c) 간의 용접을 위한 용접봉의 삽입 또는 레이저 빔의 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다.
상기 집전판 홀(176d)은, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀의 반경(rc) 대비 0.5rc 이상의 반경을 가질 수 있다. 상기 집전판 홀(176d)의 반경이 0.5rc 내지 1.0rc인 경우, 원통형 배터리(220)에서 벤트가 일어날 때 전극 조립체(100)의 코어(C) 근처에 있는 분리막이나 전극들의 권회 구조가 벤트 압력으로 인해 코어(C) 밖으로 밀려 나오는 현상이 방지된다. 상기 집전판 홀(176d)의 반경이 1.0rc보다 클 때, 코어(C)의 개방이 최대이므로 전해질 주입 공정에서 전해질의 주입이 용이하다.
상기 제2 무지부 결합부(176b)가 복수 개 구비되는 경우, 복수의 제2 무지부 결합부(176b)들은 제2집전판(176)의 지지부(176a)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(171)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 제2 무지부 결합부(176b)들 각각은 지지부(176a)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다.
상기 하우징 결합부(176c)는 복수 개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 하우징 결합부(176c)들은 제2집전판(176)의 중심부로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(171)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2집전판(176)과 전지 하우징(171) 간의 전기적 연결은 복수의 지점에서 이루어질 수 있다. 이처럼 복수의 지점에서 전기적 연결을 위한 결합이 이루어짐으로써 결합 면적을 극대화 하여 전기 저항을 최소화 할 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(176c)들 각각은 지지부(176a)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 서로 이웃하는 제2 무지부 결합부(176b) 사이에는 적어도 하나의 하우징 결합부(176c)가 위치할 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(176c)들은, 전지 하우징(171)의 내측 면 중, 예를 들어 비딩부(180)에 결합될 수 있다. 상기 하우징 결합부(176c)들은, 특히 비딩부(180)의 하면에 레이저 용접을 통해 결합될 수 있다. 용접은, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 이와 같이 비딩부(180) 상에 복수의 하우징 결합부(176c)를 용접 결합시킴으로써 전류 경로를 방사상으로 분산시켜 원통형 배터리(220)의 저항 수준을 대략 4 밀리옴(mohm) 이하로 제한할 수 있다. 또한, 비딩부(180)의 하면이 전지 하우징(171)의 상면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(171)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 하고 하우징 결합부(176c) 역시 동일한 방향, 즉 반경 방향 및 원주 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 함으로써 하우징 결합부(176c)가 비딩부(180) 상에 안정적으로 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 이처럼 상기 하우징 결합부(176c)가 비딩부(180)의 평탄부 상에 안정적으로 접촉됨에 따라 두 부품 간의 용접이 원활하게 이루어질 수 있고, 이로써 두 부품 간의 결합력 향상 및 결합 부위에서의 저항 증가 최소화 효과를 얻을 수 있다.
상기 하우징 결합부(176c)는 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 결합되는 접촉부(176e) 및 지지부(176a)와 접촉부(176e) 사이를 연결하는 연결부(176f)를 포함할 수 있다.
상기 접촉부(176e)는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 결합된다. 상기 전지 하우징(171)에 비딩부(180)가 형성되는 경우에 있어서, 상기 접촉부(176e)는 상술한 바와 같이 비딩부(180) 상에 결합될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 접촉부(176e)는, 전지 하우징(171)에 형성된 비딩부(180)의 하면에 형성된 평탄부에 전기적으로 결합될 수 있으며, 비딩부(180)의 하면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재될 수 있다. 이 경우, 안정적인 접촉 및 결합을 위해 접촉부(176e)는 비딩부(180)에서 전지 하우징(171)의 원주 방향을 따라 소정의 길이로 연장된 형태를 가질 수 있다.
연결부(176f)는 둔각으로 절곡될 수 있다. 절곡 지점은 연결부(176f)의 중간 지점보다 상부일 수 있다. 연결부(176f)가 절곡되면, 접촉부(176e)가 비딩부(180)의 평탄면에 안정적으로 지지될 수 있다. 연결부(176f)는 절곡 지점을 기준으로 하부와 상부로 나뉘며, 하부의 길이가 상부보다 더 클 수 있다. 또한, 지지부(176a)의 표면을 기준으로 한 경사각은 절곡 지점의 하부가 상부보다 더 클 수 있다. 연결부(176f)가 절곡되면, 전지 하우징(171)의 수직 방향으로 가해지는 압력(힘)을 버퍼링할 수 있다. 일 예로, 전지 하우징(171)의 사이징 공정에서 접촉부(176e)에 압력이 전달되어 접촉부(176e)가 지지부(176b)를 향해 수직 이동하는 경우 연결부(176f)의 절곡 지점이 상부로 이동하면서 연결부(176)의 모양이 변형되고 이를 통해 응력 스트레스를 완충시킬 수 있다.
한편, 상기 제2집전판(176)의 중심부에서 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 제2 무지부 결합부(176b)의 단부에 이르는 최대 거리는, 비딩부(180)가 형성된 영역에서의 전지 하우징(171)의 내경, 즉 전지 하우징(171)의 최소 내경과 동일하거나 이보다 더 작게 형성됨이 바람직하다. 이는, 전지 하우징(171)을 높이 방향을 따라 압축시키는 사이징 공정 진행 시에 제2 무지부 결합부(176b)의 단부가 전극 조립체(100)의 가장자리를 누르는 현상을 방지하기 위함이다.
제2 무지부 결합부(176b)는 홀(176g)을 포함한다. 홀(176g)은 전해질이 이동할 수 있는 통로로 사용될 수 있다. 제2 무지부 결합부(176b)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접에 의해 형성되는 용접 패턴(176h)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 연장될 구조를 가질 수 있다. 용접 패턴(176h)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다.
상기 용접 패턴(176h)은 용접 영역에 해당한다. 따라서, 상기 용접 패턴(176h)은 전극 조립체(100)의 하부에 위치한 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하다. 적층수 균일구간(b1)과 중첩되지 않는 용접 패턴(176h)은 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 더욱 바람직하게, 용접 패턴(176h) 전체가 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다. 용접 패턴(176h)이 형성되어 있는 지점의 상부에 있는 절곡 표면영역(F) 중에서 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로, 적층수 감소구간(b2)은 분절편의 적층수가 10 이상인 것이 바람직하다.
상술한 제1집전판(144)와 제2집전판(176)의 외경은 서로 다르다. 외경은 절곡 표면영역(F)과 집전판간 접촉 영역의 외경이다. 외경은 전극 조립체의 코어(C) 중심을 통과하는 직선과 접촉 영역의 가장자리가 만나는 두 지점 사이의 거리 중 최대값으로 정의된다. 제2집전판(176)는 비딩부의 내측에 위치하므로 외경이 제1집전판(144)의 외경보다 작다. 또한, 제1집전판(144)의 용접 패턴(144f)의 길이가 제2집전판(176)의 용접 패턴(176h)의 길이보다 더 길다. 바람직하게, 용접 패턴(144f)와 용접 패턴(176h)는 코어(C)의 중심을 기준으로 실질적으로 동일한 지점으로부터 외주측으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(200,220)은 상부에서 전기적 연결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 23은 복수의 원통형 배터리(200)들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이고, 도 24는 도 23의 부분 확대도이다. 원통형 배터리(200)은 다른 구조의 원통형 배터리(220)으로 대체 가능하다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 복수의 원통형 배터리(200)들은 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(200)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 배터리(200)에 있어서, 리벳 단자(172)는 양의 극성을 가지고 전지 하우징(171)의 리벳 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 배터리(200)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 지면을 기준으로 상하 방향이고, 행은 지면을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화 하기 위해, 원통형 배터리(200)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 하우징(171)의 외부로 노출된 리벳 단자(172)의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(210)는, 동일 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(210)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)를 포함할 수 있다.
상기 바디부(211)는, 인접하는 리벳 단자(172) 사이에서 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(211)는, 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(212)는, 바디부(211)의 일측 방향으로 연장되며, 일측 방향에 위치한 원통형 배터리(200)의 리벳 단자(172)와 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(212)와 리벳 단자(172) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
복수의 제2 버스바 단자(213)는, 바디부(211)의 타측 방향으로부터 연장되며, 타측 방향에 위치한 리벳 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제2 버스바 단자(213)와 평평한 면(171a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은, 예를 들어 알루미늄 판 또는 구리 판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 상기 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 제2 버스바 단자(213)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
상술한 본 발명의 원통형 배터리(200)은, 절곡 표면영역(F)을 통한 용접 면적 확대, 제2집전판(176)을 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 리벳 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(200)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 대략 4 밀리옴(mohm) 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리(200)은, 양의 극성을 가진 리벳 단자(172)와 음의 극성을 가진 평평한 면(171a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 리벳 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a)은 면적이 넓으므로 버스바(210)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(200)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있으므로 배터리 모듈/팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 원통형 배터리(301)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(302)을 포함한다. 원통형 배터리(301)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(301)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(300)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 26은 도 25의 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전판의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 복수의 분절편을 형성하고 전극이 권취되었을 때 복수의 분절편이 소정의 방향으로 정렬되어 배치되도록 하고 분절편이 배치되는 않은 영역에서 전극에 형성된 활물질층의 단부를 분리막의 권회턴 사이에서 노출시켜 전해질의 함침성(속도 및 균일성)을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면,전극의 두께 공차 및, 선택적으로, 용접 라인의 폭을 고려하여 분절편 정렬부의 원주각에 대한 최소 조건을 설계함으로써 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전 하더라도 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전판이 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전판을 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해질 주입 공정과 전지 하우징(또는 리벳 단자)과 집전판의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전판과 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상이며 저항이 4mohm 이하인 원통형 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (44)

  1. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주를 정의한 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고,
    상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고,
    상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측에서 하나 이상의 분절편 정렬부를 구성하고,
    상기 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고, 상기 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cp로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분절편 정렬부는 n개이고,
    상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 이격되어 있는, 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 n은 2 내지 9인, 전극 조립체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    동일한 권회턴에 n개의 분절편 그룹이 배치되고,
    상기 n개의 분절편 그룹은 권취 방향을 따라 실질적으로 등간격으로 배치되는 것인, 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 C1 내지 Cp의 50% 이상은 상기 정렬 라인을 기준으로 상기 전극 조립체의 권취 방향으로 회전된 상태인, 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 C1 내지 Cp의 50% 이상은 상기 정렬 라인을 기준으로 상기 전극 조립체의 권취 방향과 반대 방향으로 회전된 상태인, 전극 조립체.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치된, 전극 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 회전 대칭 각도는 40도, 45, 60도, 72도, 90도, 120도 또는 180도인, 전극 조립체.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 점대칭으로 배치된, 전극 조립체.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 n개의 분절편 정렬부는 상기 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장되는, 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 분절편 정렬부는 권취 축 방향에서 보았을 때 상기 코어와 인접한 내측 원호, 상기 외주면과 인접한 외측 원호 및 각 분절편 그룹이 위치한 권회턴 원호의 단부를 상기 코어 측으로부터 상기 외주 측으로 연결한 2개 라인으로 이루어진 기하학적 형상을 가지는, 전극 조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기하학적 형상은 부채꼴 형상인, 전극 조립체.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 2개 라인은 각각 비선형적으로 연장되는, 전극 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 p개의 분절편 그룹이 상기 코어측을 향해 절곡되어 형성된 절곡 표면영역을 포함하는, 전극 조립체.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 절곡 표면영역에 용접된 집전체를 더 포함하고,
    상기 전극 조립체의 권취 축방향에서 보았을 때 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들은 상기 집전체의 용접 라인 및, 선택적으로, 이것으로부터 동일한 폭으로 연장된 가상의 라인과 교차하는 것인, 전극 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 용접 라인의 폭은 1mm 이상인, 전극 조립체.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 권회턴 원호들의 C1 내지 Cp가 상기 정렬 라인 상에 위치하도록 상기 권회턴 원호들을 가상으로 회전시켰을 때 상기 권회턴 원호들은 부채꼴 형상으로 배열되고,
    상기 정렬 라인을 기준으로 상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹 단부의 최대 회전 각도 θmax, 상기 부채꼴 형상의 원주각 θdesign 및 상기 용접 라인이 교차하는 권회턴 원호의 1/2에 대한 원주각 중 최대값을 θweld,max라고 정의할 때,
    하기 관계식이 충족되는 것인,
    θdesign > θmax + θweld,max
    전극 조립체.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 θweld,max는 하기 수식에 의해 결정되는 값인,
    θweld,max = (360°*0.5*darc)/(2πr)
    (여기서, darc는 상기 용접 라인이 교차하는 권회턴 원호의 길이 중에서 최대값이고, r은 상기 코어의 중심을 기준으로 한 해당 권호턴 원호의 반경임)
    전극 조립체.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±1um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 38도보다 큰, 전극 조립체.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±2um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 68도보다 큰, 전극 조립체.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±3um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 100도보다 큰, 전극 조립체.
  22. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±4um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 132도보다 큰, 전극 조립체.
  23. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1전극의 두께 공차와 상기 제2전극의 두께 공차를 합산한 값에 대응되는 전극의 두께 공차가 ±5um 범위에 속할 때, 상기 θdesign은 176도보다 큰, 전극 조립체.
  24. 청구항 2에 있어서,
    상기 원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부들 사이에 상기 제1활물질부의 권취 축 방향 단부가 반경 방향으로 인접하는 분리막들의 단부 사이에서 노출된 전해질 함침부를 포함하는, 전극 조립체.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 전해질 함침부의 수는 n개이고,
    상기 전해질 함침부는 상기 코어 중심을 기준으로 방사상으로 연장된, 전극 조립체.
  26. 청구항 1에 있어서,
    상기 권취 방향을 따라 상기 제1무지부와 상기 활물질층과의 경계 영역을 덮는 절연층을 더 포함하고,
    상기 절연층과 상기 분리막 사이에 갭이 구비되는, 전극 조립체.
  27. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 권취 축 방향을 따라 상기 제1무지부와 대향하도록 상기 분리막의 외부로 노출된 제2무지부를 포함하고,
    상기 제2무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고,
    상기 제2무지부의 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측부에서 하나 이상의 분절편 정렬부를 구성하고,
    상기 제2무지부의 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 q개(q는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고, 상기 q개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cq로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cq 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  28. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주를 정의한 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고,
    상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고,
    상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측에서 복수의 분절편 정렬부를 구성하고,
    상기 복수의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치된, 전극 조립체.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 복수의 분절편 정렬부의 각각은 상기 권취 축 방향에서 보았을 때 비대칭 구조를 가지는, 전극 조립체.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고,
    상기 비대칭 구조는, 상기 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cp로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는 구조인, 전극 조립체.
  31. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고, 상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측부에서 하나 이상의 분절편 정렬부를 구성하고, 상기 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹이 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역을 포함하고, 상기 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cp로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는, 전극 조립체;
    개방 단부와 폐쇄 단부를 포함하고, 상기 개방 단부를 통해 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 하우징;
    상기 전지 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함하는 배터리.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 절곡 표면영역과 전기적으로 결합된 집전체를 더 포함하고,
    상기 전극 조립체의 권취 축방향에서 보았을 때 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들은 상기 집전체의 용접 라인 및, 선택적으로, 이것으로부터 연장된 가상의 라인과 교차하는 것인, 배터리.
  33. 청구항 31에 있어서,
    상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고,
    상기 공동은 상기 절곡 표면영역에 의해 폐색되지 않고 외부로 개방되어 있는, 배터리.
  34. 청구항 31에 있어서,
    상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 개방 단부를 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 개방 단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며,
    상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트임을 특징으로 하는 배터리.
  35. 청구항 31에 있어서,
    상기 제1극성을 띠는 제2전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 개방 단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고,
    상기 전지 하우징은 폐쇄 단부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함하는, 배터리.
  36. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주를 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고, 상기 분절편 구간은, 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 피치를 두고 배치된 복수의 분절편 그룹을 포함하되, 각 분절편 그룹은 하나 이상의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편 그룹은 상기 전극 조립체의 일측에서 복수의 분절편 정렬부를 구성하고, 상기 복수의 분절편 정렬부는 상기 코어의 중심을 기준으로 회전 대칭으로 배치된, 전극 조립체;
    개방 단부와 폐쇄 단부를 포함하고, 상기 개방 단부를 통해 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 하우징;
    상기 전지 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함하는 배터리.
  37. 청구항 36에 있어서,
    상기 복수의 분절편 정렬부의 각각은 상기 권취 축 방향에서 보았을 때 비대칭 구조를 가지는, 배터리.
  38. 청구항 37에 있어서,
    상기 분절편 정렬부는 반경 방향을 따라 배치된 p개(p는 2 보다 큰 자연수)의 분절편 그룹을 포함하고,
    상기 비대칭 구조는, 상기 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들의 중앙 지점을 상기 코어측으로부터 반경 방향을 따라 C1 내지 Cp로 정의할 때, 상기 C1 내지 Cp 중 적어도 일부는 상기 코어의 중심으로부터 반경 방향으로 연장된 소정의 정렬 라인 상에 위치하지 않는 구조인, 배터리.
  39. 청구항 36에 있어서,
    상기 절곡 표면영역과 전기적으로 결합된 집전체를 더 포함하고,
    상기 전극 조립체의 권취 축방향에서 보았을 때 p개의 분절편 그룹이 위치하는 권회턴 원호들은 상기 집전체의 용접 라인 및, 선택적으로, 이것으로부터 연장된 가상의 라인과 교차하는 것인, 배터리.
  40. 청구항 36에 있어서,
    상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고,
    상기 공동은 상기 절곡 표면영역에 의해 폐색되지 않고 외부로 개방되어 있는, 배터리.
  41. 청구항 36에 있어서,
    상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 개방 단부를 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 개방 단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며,
    상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트임을 특징으로 하는 배터리.
  42. 청구항 36에 있어서,
    상기 제1극성을 띠는 제2전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 개방 단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고,
    상기 전지 하우징은 폐쇄 단부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함하는, 배터리.
  43. 청구항 31 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  44. 청구항 43의 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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