Search

KR-20260060491-A - BATTERY CELL AND BATTERY PACK AND VEHICLE INCLUDING THE SAME

KR20260060491AKR 20260060491 AKR20260060491 AKR 20260060491AKR-20260060491-A

Abstract

본 발명은, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취된 전극 조립체; 일측에 형성된 개구부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하고, 타측에 폐쇄부가 형성되며 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되도록 구성되는 하우징; 및 상기 하우징의 상기 개구부를 커버하도록 구성되는 리드 어셈블리로서, 관통홀이 형성되는 리드, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 관통홀을 커버하도록 구성되는 단자와, 상기 리드와 상기 단자 사이를 절연시키면서 상기 리드와 상기 전극 조립체 사이를 절연시키도록 구성된 절연 가스켓을 구비하는 리드 어셈블리를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다.

Inventors

  • 정석훈
  • 오경택
  • 노지원

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241024

Claims (20)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취된 전극 조립체; 일측에 형성된 개구부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하고, 타측에 폐쇄부가 형성되며 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되도록 구성되는 하우징; 및 상기 하우징의 상기 개구부를 커버하도록 구성되는 리드 어셈블리로서, 관통홀이 형성되는 리드, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 관통홀을 커버하도록 구성되는 단자와, 상기 리드와 상기 단자 사이를 절연시키면서 상기 리드와 상기 전극 조립체 사이를 절연시키도록 구성된 절연 가스켓을 구비하는 리드 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리드는 상기 전극 조립체의 반경 방향 내측 단부에 상기 절연 가스켓이 안착되도록 구성되는 평탄부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서, 상기 리드는 상기 평탄부의 외측면에서 외측으로 돌출되도록 구성되는 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제3항에 있어서, 상기 돌출부는 반경 방향 내측으로 절곡되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서, 상기 리드는 상기 하우징의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하는 경우 파단되어 상기 하우징 내부에 발생된 가스를 배출하도록 구성되는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단자는 상기 리드의 외측에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단자는 상기 리드에 안착되도록 구성되는 외주부와, 상기 외주부에서 외측으로 단차지게 돌출되도록 구성되는 커버부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서, 상기 절연 가스켓은 상기 단자가 안착되도록 상기 전극 조립체의 반경 방향 내측으로 단차지게 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  9. 제1항에 있어서, 상기 절연 가스켓은 상기 단자의 외측 둘레를 감싸도록 구성되는 제1 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 부분은 반경 방향 내측으로 절곡되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  11. 제1항에 있어서, 상기 절연 가스켓은 상기 리드의 내측 둘레를 감싸도록 구성되는 제2 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 부분은 반경 방향 외측으로 절곡되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체의 일측에 구비되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  14. 제13항에 있어서, 상기 절연 가스켓은 상기 리드와 상기 제1 집전체를 상호 이격시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1 집전체는 적어도 일부가 상기 관통홀에 삽입되어 상기 단자와 결합되도록 구성되는 단자 결합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 집전체는 상기 단자 결합부를 관통하여 형성되는 주액홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  17. 제13항에 있어서, 상기 단자는 외측면에 상기 제1 집전체와 용접 결합 시 형성되는 제1 용접 비드를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  18. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체의 타측에 구비되며, 상기 제2 전극과 상기 하우징을 전기적으로 연결시키도록 구성되는 제2 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  19. 제18항에 있어서, 상기 하우징은 상기 폐쇄부의 외측면에 상기 제2 집전체와 용접 결합 시 형성되는 제2 용접 비드를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  20. 제1항에 있어서, 상기 리드 어셈블리는 상기 하우징의 측벽 부재의 둘레를 따라 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.

Description

배터리 셀 그리고 이러한 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩 및 자동차{BATTERY CELL AND BATTERY PACK AND VEHICLE INCLUDING THE SAME} 본 발명은, 배터리 셀 그리고 이러한 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 배터리 셀은 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 배터리 셀은 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. 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle)이 요구하는 배터리 팩의 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 직렬/병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 이때, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩이나 배터리 랙을 구성하는 방법이 일반적이다. 또는, 최근에는, 복수 개의 배터리 셀을 모듈화하지 않고, 팩 하우징 등에 직접 수납하는 셀투팩(Cell To Pack) 형태의 배터리 팩도 제조되고 있다. 차량용 배터리 팩에 적용되는 배터리 셀로서 금속 캔 형태의 셀을 이용하고자 하는 수요가 증가하고 있다. 금속 캔의 형태는 각형이나 원통형일 수 있는데, 원통형 배터리 셀은 제1 전극, 제2 전극 및 분리막의 적층체를 권취 축을 중심으로 권취하여 코어에 중심 홀을 가지는 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 원통형 캔 내부에 수용하는 구조를 가지며, 파우치형 배터리 셀보다 충격이나 온도에 더 강건한 이점을 가진다. 종래 원통형 배터리 셀에 있어서, 전극 조립체의 제1 전극은 하우징에 전기적으로 연결된다. 전극 조립체의 제2 전극과 전기적으로 연결된 단자는 하우징의 폐쇄면에 형성된 관통홀에 리벳팅(riveting)되어 결합되므로, 종래 배터리 셀은 리벳 단자를 포함한다. 이 경우, 리벳 단자와 전극 조립체의 결합을 위해 하우징의 개방부 측에서 초음파 용접봉을 전극 조립체의 중심 홀로 삽입하여 하우징의 내측에서 초음파 용접을 진행하였다. 그러나, 종래와 같이 초음파 용접 시 발생하는 스패터(spatter)로 인해 전극 조립체의 분리막이 손상될 수 있는 문제점이 있었다. 또한, 초음파 용접봉의 직경을 감소시키기 어렵기 때문에 전극 조립체의 중심 홀이 일정 크기 이상되어야 하므로 전극 조립체의 에너지 밀도를 증가시키는 데에 한계가 있었다. 더욱이, 하우징 내부의 리벳 단자와 하우징과 제2 전극의 절연을 위한 인슐레이터의 존재로 전극 조립체의 수직 방향 부피를 증가시키는 데에도 한계가 있었다. 또한, 종래 배터리 셀을 제조하는데 있어서, 하우징 내부의 다양하고 복잡한 형상의 부품과 복잡한 공정으로 인해 생산성을 높이고 원가를 절감하기에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이처럼 부품 간의 결합 공정을 보다 단순화하여 생산성 내지 공정성을 높이고, 배터리 셀의 에너지 밀도를 증가시키기 위한 방안이 요구된다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 전체 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 종단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 분해 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리가 하우징에 결합된 것을 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 각 구성이 조립된 상태의 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드의 사시도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 단자의 사시도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 절연 가스켓의 사시도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 클림핑 과정을 나타내는 단면도이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 클림핑 공정 후 단면도이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 상부 측 단면도이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 제1 집전체의 사시도이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 제1 집전체와 단자의 용접 과정을 나타내는 단면도이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 상부 측 평면도이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 하부 측 단면도이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 하부 측 평면도이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이다. 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 개략적인 사시도이다. 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 셀의 제조 과정의 일부를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 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 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명에는 여러 다양한 실시예가 포함되어 있다. 각 실시예에 대해 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 차이점을 중심으로 설명한다. 한편, 본 발명에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다. 설명의 편의상 본 명세서에서 젤리-롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취 축의 길이방향을 따르는 방향을 수직 방향(도면의 Z축 방향)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축을 둘러싸는 방향을 원주 방향 또는 둘레 방향이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축에 가까워지거나 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 반경 방향(도면의 X축 방향 및 Y축 방향)이라 지칭한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 종단면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 포함된 리드 어셈블리의 분해 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(10)은 전극 조립체(100), 하우징(200) 및 리드 어셈블리(300)를 포함할 수 있다. 배터리 셀(10)은 충방전이 가능하도록 구성되는 이차전지일 수 있다. 배터리 셀(10)은, 예를 들어 원통형 배터리일 수 있다. 바람직하게, 배터리 셀(10)은, 예를 들어 폼 팩터의 비(높이 대비 직경의 비)가 대략 0.4보다 큰 원통형 이차 전지일 수 있다. 바람직하게, 배터리 셀(10)의 직경은 40mm 내지 50mm일 수 있고, 높이는 60mm 내지 130mm일 수 있다. 배터리 셀(10)의 폼 팩터는, 예를 들어 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다. 전극 조립체(100)는 제1 극성을 갖는 제1 전극(110), 제1 극성과 반대의 제2 극성을 갖는 제2 전극(120), 그리고 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다. 전극 조립체(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 분리막을 포함하는 적층체가 권취 축을 중심으로 일 방향(권취 방향)으로 권취된 구조를 가질 수 있다. 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 쉬트 형태로 구성될 수 있다. 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 금속 포일로 이루어진 집전체를 구비할 수 있다. 금속 포일은 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)의 극성에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 적어도 일부에 전극 활물질이 도포되는 영역을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)의 일부는 전극 활물질이 코팅되지 않은 영역인 무지부일 수 있다. 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 각각 무지부를 구비할 수 있다. 이러한 무지부는 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)의 권취 방향의 장변 단부에 구비될 수 있다. 또한, 무지부는 분리막의 외부로 노출되도록 구성될 수 있다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 한편, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 서로 반대되는 극성을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는,