KR-20260061036-A - Battery cell, battery pack and vehicle including the same

Abstract

배터리 셀은 제1 전극 및 제2 전극과 분리막이 권취축을 기준으로 권취되고, 중앙에 상기 권취축 방향으로 연장된 권취 중심 홀이 형성된 전극 조립체를 포함한다. 배터리 하우징은, 배터리 하우징의 일 측에 형성된 개방 단부를 통해 상기 전극 조립체를 수용한다. 리드는 상기 개방 단부를 커버하며 중앙에 주액구를 가진다. 플러그는 상기 주액구를 밀봉하기 위해 상기 주액구에 삽입된다. 상기 리드는 상기 주액구를 둘러싸는 평탄부, 배터리 하우징에 결합되고 반경 방향 외측 가장자리에 위치하는 엣지부, 및 전극 조립체와 결합되고 상기 평탄부 및 상기 엣지부 사이에서 서로 이격 배치된 복수 개의 전극결합부를 포함한다. 상기 평탄부는 상기 전극 조립체와 권취축 방향으로 이격되도록 배치될 수 있다.

Inventors

• 이승훈
• 조성민
• 김도균
• 백준호
• 홍태림

Assignees

• 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20251023

Priority Date

20241025

Claims (20)

1. 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 권취축을 기준으로 권취되며, 중앙에 권취축 방향으로 연장된 권취 중심 홀이 형성된 전극 조립체; 일 측에 형성된 개방 단부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하도록 구성된 배터리 하우징; 상기 개방 단부를 커버하며 중앙에 주액구가 형성된 리드; 및 상기 주액구에 내에 위치하고, 상기 주액구를 밀봉하도록 구성된 플러그;를 포함하고, 상기 리드는 상기 주액구를 둘러싸는 평탄부, 상기 배터리 하우징에 결합되고 상기 리드의 가장자리에 형성되는 엣지부 및 전극 조립체와 결합되고 상기 평탄부 및 상기 엣지부 사이에 위치하고, 상기 평탄부 및 상기 엣지부에 대해 상기 전극 조립체 쪽으로 오목하게 형성된 적어도 하나의 전극결합부를 포함하는 배터리 셀.
2. 제1항에 있어서, 상기 리드의 상기 엣지부는 상기 배터리 하우징의 비딩이나 크림핑 없이 상기 배터리 하우징에 직접 용접되는 배터리 셀.
3. 제1항에 있어서, 상기 리드는 일체형 리드로서, 상기 리드와 상기 전극 조립체를 전기적으로 연결하는 별도의 집전판 없이 상기 리드가 집전판과 리드의 역할을 겸하는 배터리 셀.
4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극결합부는, 상기 권취축을 중심으로 연장되는 둘레 방향을 따라 서로 이격된 복수의 전극결합부들인 배터리 셀.
5. 제4항에 있어서, 각각의 전극결합부는 상기 전극 조립체에 직접 접촉되어 결합되는 하부면을 갖는 배터리 셀.
6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 전극결합부들은 세 개의 전극결합부를 포함하는 배터리 셀.
7. 제4항에 있어서, 상기 리드는 상기 평탄부로부터 상기 엣지부를 향해 권취축 방향 및 둘레 방향에 수직인 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 브릿지를 포함하며, 각 브릿지는 인접한 두 전극결합부 사이에 연장되는 배터리 셀.
8. 제4항에 있어서, 상기 전극결합부들은 상기 리드의 중심을 기준으로 둘레 방향을 따라 함께 분포되며, 상기 리드의 중심에 대해 대칭적으로 배열되는 배터리 셀.
9. 제1항에 있어서, 상기 리드의 상기 평탄부는 상기 전극 조립체로부터 1.5mm 내지 2.5mm 이격되는 배터리 셀.
10. 제1항에 있어서, 상기 리드의 상기 평탄부는, 상기 평탄부를 제외한 상기 리드의 나머지 부분보다 권취축 방향에 평행한 수직 방향에서 상기 전극 조립체로부터 더 멀리 이격 배치되는 배터리 셀.
11. 제1항에 있어서, 상기 리드는 상기 플러그가 삽입 및 안착 및 결합되는 플러그결합부를 포함하며, 상기 플러그결합부는 중앙에 상기 주액구가 형성된 배터리 셀.
12. 제11항에 있어서, 상기 리드는 상기 평탄부와 상기 플러그결합부 사이에 권취축을 중심으로 둘레 방향을 따라 연장되는 단차를 가지는 배터리 셀.
13. 제11항에 있어서, 상기 플러그결합부는 상기 권취축에 수직인 반경 방향으로 상기 평탄부로부터 안쪽으로 연장되고, 상기 플러그결합부의 두께는 상기 평탄부의 두께보다 작은 배터리 셀.
14. 제11항에 있어서, 상기 리드의 상기 평탄부의 두께는 0.55mm 내지 0.65mm이며, 상기 플러그결합부의 두께는 상기 평탄부의 두께보다 0.25mm 내지 0.35mm 작은 배터리 셀.
15. 제11항에 있어서, 상기 리드의 상기 플러그결합부는, 상기 플러그결합부를 제외한 상기 리드의 나머지 부분보다 권취축 방향에 평행한 수직 방향에서 상기 전극 조립체로부터 더 멀리 이격되는 배터리 셀.
16. 제1항에 있어서, 상기 플러그는 상기 주액구의 적어도 일부로 연장되는 삽입부, 및 상기 리드에 적어도 일부 용접되는 용접부를 포함하는 배터리 셀.
17. 제16항에 있어서, 상기 플러그의 상기 용접부는, 가장자리 부분의 두께가 상기 용접부의 나머지 부분의 두께보다 작은 단차를 포함하고, 상기 배터리 셀은 상기 단차 위의 공간에 위치하며 상기 용접부의 나머지 부분의 상부 표면 위로 돌출되지 않는 용접 비드를 더 포함하는 배터리 셀.
18. 제1항에 있어서, 상기 평탄부는 상기 주액구를 향해 리세스된 절곡부를 포함하고, 각 전극결합부는 상기 절곡부를 향해 연장되는 연장부를 포함하는 배터리 셀.
19. 제1항에 있어서, 상기 리드는 각 전극결합부와 상기 엣지부 사이에 연장되는 노치된 벤트부를 포함하는 배터리 셀.
20. 제4항에 있어서, 상기 리드는 인접한 두 전극결합부와 상기 엣지부 사이에 배치된 피킹부를 포함하고, 상기 피킹부는 피킹장비에 의해 접촉되도록 구성된 피킹영역을 포함하는 배터리 셀.

Description

배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Battery cell, battery pack and vehicle including the same} 본 발명은 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 본 출원은 2024년 10월 25일에 출원된 한국 특허출원번호 10-2024-0147566호에 기초한 우선권을 주장하며, 이들의 전체 공지는 본 명세서에 참고로 포함된다. 원통형 배터리 셀은 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 원통형의 금속 캔 내부에 수용하는 구조로서, 파우치형 전지보다 충격이나 온도에 더 강건하다. 이에, 차량용 배터리 팩에 적용되는 배터리 셀로서 금속 캔 형태의 셀을 이용하고자 하는 수요가 증가하고 있다. 원통형 전지 캔을 적용한 배터리 셀을 제작하는 과정은, 금속 시트를 딥 드로잉(deep drawing)하여 원형의 바닥부 및 이에 연결된 원형 관 형상의 측벽부를 성형하고, 그 내부에 전극 조립체를 수용한 뒤, 상기 측벽부의 개방 단부를 리드로 덮어 마감하는 단계로 이루어진다. 전지 캔의 개방 단부를 리드로 덮고 리드와 전지 캔을 고정하는 방식은, 크림핑이나 심 용접(seam welding) 에 의해 수행될 수 있다. 심 용접은 전지캔의 측벽부의 선단부 둘레와 리드의 가장자리의 둘레를 맞대고, 둘레 방향을 따라 이들을 용접하는 방식으로서, 고정 구조가 단순하기 때문에, 그만큼 전지 캔의 내부에 수용할 수 있는 전극 조립체의 부피를 상당히 증가시킬 수 있다. 따라서 심 용접 방식은 전지 캔의 체적 대비 전기용량의 확보에 유리하다. 그러나 전해액을 전지 캔에 채운 뒤 전지 캔의 개방 단부를 리드로 덮어 용접하는 경우, 공기 중의 전해액 증기가 일정 농도 이상인 상태에서 용접에 의해 발생하는 고온의 열 또는 플라즈마 불꽃과 접촉 시 변질되거나 발화할 가능성이 있다. 가령 전지 캔과 리드의 재질이 SUS인 경우, SUS의 용융점인 섭씨 1400도까지 표면온도가 올라갈 수 있다. 이러한 고온의 열은 전해액의 발화의 원인이 될 수 있다. 이에, 전지 캔의 개방 단부 둘레와 리드를 심 용접하여 고정하고자 할 때에는, 주액구가 바닥부에 마련된 전지 캔 또는 주액구가 마련된 리드를 준비하고, 전지 캔 내부에 전극 조립체를 수용하고, 전지 캔과 리드를 심 용접한 뒤, 상기 주액구를 통해 전해액을 주입하고, 주액을 완료한 후 상기 주액구를 실링 마감하는 방식이 활용될 수 있다. 상기 주액구를 실링 마감하는 데에는 볼이나 플러그 압입, 용접 혹은 접착액 이용이 고려될 수 있다. 상기 주액구 설계 및 마감 방식은 전극 조립체의 손상이 없으면서도 실링이 확실하여야 하나, 현재까지 제대로 된 주액구 설계 및 마감 방식이 부재한 실정이다. 그러나 전해액을 주입할 때, 고압의 전해액이 전극 조립체와 접촉하면 전극 조립체의 중심부에 위치한 분리막이 느슨해지는 등의 물리적 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 전극 조립체에 영향을 미치지 않는 주액구의 내경을 반영한 배터리 셀이 요구된다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 측면들을 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이다. 따라서, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀의 외관을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 배터리 셀을 A-A’를 따라 자른 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 리드를 나타내는 평면도이다. 도 4는 도 3의 C-C' 단면을 나타낸 측단면도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단면을 나타낸 측단면도이다. 도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 리드의 확대된 측단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 측면에 따른 전극 조립체의 권취 중심 홀 크기 대비 주액구의 내경 등을 표시한 표이다. 도 8은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 리드를 나타낸 사시도이다. 도 9는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 리드를 나타낸 평면도이다. 도 10은 도 9의 D-D' 단면을 나타낸 측단면도이다. 도 11은 종래의 분리형 리드의 사시도이다. 도 12는 본 발명에 따른 리드와 종래의 분리형 리드의 벤트압을 비교하여 나타낸 표이다. 도 13은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩을 부분 절개하여 도시한 사시도이다. 도 14는 도 13의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 사시도이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 측면들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 오히려 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 단지 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예를 나타낸 것에 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. 설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이 방향을 따르는 방향을 권취축 방향이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레 방향이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경 방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심 방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심 방향이라 지칭한다. 도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀(10)의 외관을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 배터리 셀(10)을 A-A’를 따라 자른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀(10)은 전극 조립체(100), 배터리 하우징(200), 리드(300) 및 플러그(400)를 포함할 수 있다. 도 2를 참조할 때, 전극 조립체(100)는 제1 및 제2 반대쪽 단부에 제1 무지부(110) 및 제2 무지부(120)를 구비할 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 전극 조립체(100)는 제1 전극과 제2 전극이 그 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취축을 중심으로 권취된 젤리-롤 형태일 수 있다. 여기서, 제1 전극과 제2 전극은 시트 형상으로 형성될 수 있다. 전극 조립체(100)의 외주면 상에는 배터리 하우징(200)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수도 있다. 전극 조립체(100)의 구조는 제한되지 않으며, 당업계에 잘 알려진 권취 구조를 가질 수 있다. 제1 전극은 음극판이고 제2 전극은 양극판일 수 있다. 음극판에는 일면 또는 양면 상에 음극 활물질이 도포되어 있고, 음극판의 단부에는 음극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부(110)가 형성될 수 있다. 제1 무지부(110)는 전극 조립체(100)의 중심을 기준으로 복수의 권회 턴을 형성하면서 분리막의 외부로 노출될 수 있으며, 이로써 제1 무지부(110) 자체가 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 양극판에는 일면 또는 양면 상에 양극 활물질이 도포되어 있고, 양극판의 단부에는 양극 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부(120)가 형성될 수 있다. 제2 무지부(120)는 전극 조립체(100)의 중심을 기준으로 복수의 권회 턴을 형성하면서 분리막의 외부로 노출될 수 있으며, 이로써 제2 무지부(120) 자체가 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 즉, 양극판과 음극판은 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 각각 포함할 수 있으며, 무지부는 전극 조립체가 권취되는 둘레 방향을 따라 연장되는 양극판 및 음극판의 장측에 배치될 수 있다. 그리고, 제1 무지부(110)와 제2 무지부(120)는 서로 반대 방향을 향하도록 구성될 수 있다. 제1 무지부(110)는 권취축 방향 일단에, 제2 무지부(120)는 권취축 방향 타단에 위치하도록 배터리 하우징(200) 내부에 수납될 수 있다. 여기서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과, 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다. 일 예를 들어, 제1 무지부(110)와 제2 무지부(120)에는 소정의 간격을 두고 둘레 방향을 따라 노치를 형성하여 플래그(flag) 형태의 노칭탭들을 형성할 수 있다. 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)에서, 노칭탭들은 반경방향으로 절곡되어 평탄화될 수 있다. 노칭탭들은 반경방향 내측으로 절곡되거나 외측으로 절곡될 수 있다. 노칭탭들은, 적층체를 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)를 형성하는 과정에서 하나씩 절곡 가공될 수 있다. 이와 달리 노칭탭들은, 적층체를 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)를 형성한 뒤, 한꺼번에 절곡 가공될 수도 있다. 이렇게 반경방향으로 절곡되며 포개어진 제1 무지부(110)의 노칭탭들과 제2 무지부(120)의 노칭탭들은, 각각 전극 조립체(100)의 축방향 양측 단부에서 축방향에 대해 실질적으로 수직한 평면을 정의할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 하우징(200)은, 전극 조립체(100)를 수용하도록 구성될 수 있다. 배터리 하우징(200)은 일 측에 개방 단부가 형성될 수 있다. 배터리 하우징(200)은 일 측에 개방 단부가 형성된 대략 원통형의 수용체일 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(100)는 제1 무지부(110)가 개방 단부를 향하도록 배터리 하우징(200)의 내부에 수용될 수 있다. 구체적으로, 배터리 하우징(200)은 측벽부와, 측벽부의 축방향 일측 단부에 연결된 바닥부와, 측벽부의 축방향 타측 단부에 마련된 개방 단부를 포함할 수 있다. 배터리 하우징(200)의 측벽부 및 바닥부는 일체로 형성될 수 있다. 바닥부는 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 측벽부는 원통형일 수 있고, 바닥부와 연결되며, 축방향으로 연장될 수 있다. 측벽부에서 바닥부에 연결되지 않은 쪽을 배터리 하우징(200)의 개방 단부라고 정의할 수 있다. 개방 단부는 배터리 하우징(200)의 바닥부에 대향하는