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KR-20260061597-A - A Cylindrical Battery Cell Including An Electrode Tab Capable Of Relieving Stress, And A Battery Module Including The Same

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Abstract

본 발명은 스트레스를 완화할 수 있는 전극탭을 포함하는 원통형 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극, 양극, 및 분리막을 포함하여 권취된 전극조립체, 상기 전극조립체를 수납하는 원통형 케이스, 상기 전극조립체의 음극과 연결되는 음극탭, 및 상기 전극조립체의 양극과 연결되는 양극탭을 포함하되, 상기 음극탭은 상기 음극과 접하는 영역이 일측에서 타측으로 갈수록 높이가 줄어드는 형상인 것을 특징으로 하는 스트레스를 완화할 수 있는 전극탭을 포함하는 원통형 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.

Inventors

  • 심가영
  • 김영수

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (14)

  1. 음극, 양극, 및 분리막을 포함하여 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체를 수납하는 원통형 케이스; 상기 전극조립체의 음극과 연결되는 음극탭; 및 상기 전극조립체의 양극과 연결되는 양극탭;을 포함하되, 상기 음극탭은 상기 음극과 접하는 영역이 일측에서 타측으로 갈수록 높이가 줄어드는 형상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극과 접하는 영역의 일측은 상기 음극의 가장자리 부분과 상기 음극탭이 접하는 위치인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  3. 제2항에 있어서, 상기 음극탭는 양측 끝단부에서 중앙으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상의 제1 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 절개부는 곡률 형상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  5. 제2항에 있어서, 상기 음극탭은 상기 음극의 가장자리에서 돌출된 일측 끝단부에서 상기 음극의 가장자리 방향으로 갈수록 높이가 줄어드는 형상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  6. 제2항에 있어서, 상기 양극탭은 상기 양극과 접하는 영역이 일측에서 타측으로 갈수록 높이가 줄어드는 형상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  7. 제6항에 있어서, 상기 양극과 접하는 영역의 일측은 상기 양극의 가장자리 부분과 상기 양극탭이 접하는 위치인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  8. 제7항에 있어서, 상기 양극탭는 양측 끝단부에서에 중앙으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상의 제2 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 절개부는 곡률 형상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  10. 제6항에 있어서, 상기 양극탭은 상기 양극의 가장자리에서 돌출되는 일측 끝단부에서 상기 양극의 가장자리 방향으로 갈수록 높이가 줄어드는 형상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  11. 제6항에 있어서, 상기 음극탭은 길이방향의 양측부에 일정길이 절개된 하나 이상의 제1 슬릿이 형성되고, 상기 양극탭은 길이방향의 양측부에 일정길이 절개된 하나 이상의 제2 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 슬릿은 상기 음극탭에서 상기 음극과 겹치지 않은 영역에 형성되고, 상기 제2 슬릿은 상기 양극탭에서 상기 양극과 겹치지 않은 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  13. 제6항에 있어서, 상기 음극탭은 상기 음극과 겹쳐져 연결되는 부분에 길이방향으로 일정길이 절개된 하나 이상의 제3 슬릿이 형성되고, 상기 양극탭은 상기 양극과 겹쳐져 연결되는 부분에 길이방향으로 일정길이 절개된 하나 이상의 제4 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 원통형 전지셀을 포함하는 전지 모듈.

Description

스트레스를 완화할 수 있는 전극탭을 포함하는 원통형 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈{A Cylindrical Battery Cell Including An Electrode Tab Capable Of Relieving Stress, And A Battery Module Including The Same} 본 발명은 스트레스를 완화할 수 있는 전극탭을 포함하는 원통형 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극조립체가 충방전 등으로 인해 팽창 시 전극탭과 전극조립체가 접한 부분에서 과도한 스트레스가 발생하는 것을 방지할 수 있는 스트레스를 완화할 수 있는 전극탭을 포함하는 원통형 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다. 최근 화석연료 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지 셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 전지 모듈 또는 이러한 전지 모듈을 다수 구비한 전지 팩이 사용된다. 이러한 전지셀 중 원통형 전지셀은 원통형 케이스 내에 전극조립체가 권취되어 수납되고 전극조립체에는 전극탭이 연결되어 있다. 종래기술에 따른 전극탭은 직육면체 형상을 갖고 있고, 전극조립체가 충방전 등에 의해 팽창하는 경우 전극탭의 모서리부 부근에서 과한 스트레스가 발생하여 크랙 등의 파손이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 도 1은 종래기술에 따른 전극조립체를 나타낸 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 전극조립체는 양극탭(11)이 구비된 양극(10), 음극탭(21)이 구비된 음극(20), 및 양극(10)과 음극(20) 사이에 위치하는 분리막(30)을 포함하여 구성되며, 양극(10), 음극(20), 및 분리막(30)을 적층한 후 권취하여 형성된다. 종래기술에 따른 양극탭(11) 및 음극탭(21)은 직육면체 형상으로 모서리부가 형성되어 있고, 전극조립체가 충방전 등으로 팽창 시 모서리부 부근에 과한 스트레스가 발생할 수 있고, 이로인해 전술한 바와 같이, 양극탭(11) 및 음극탭(21)의 모서리부 부근에 크랙 등의 파손이 발생한다는 문제점이 있다. 도 1은 종래기술에 따른 전극조립체를 나타낸 모식도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 원통형 전지셀을 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 원통형 전지셀에서 음극탭과 양극탭이 연결된 전극조립체를 나타낸 사시도이다. 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 음극탭이 음극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이다. 도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 양극탭이 양극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이다. 도 6는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 양극탭과 음극탭을 상면에서 바라본 평면도 및 측면에서 바라본 측면도이다. 도 7는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 음극탭이 음극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이다. 도 8는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 양극탭이 양극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이다. 도 9는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 양극탭과 음극탭을 상면에서 바라본 평면도 및 측면에서 바라본 측면도이다. 도 10는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 음극탭이 음극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이다. 도 11는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 양극탭이 양극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이다. 도 12는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 양극탭과 음극탭을 상면에서 바라본 평면도 및 측면에서 바라본 측면도이다. 도 13는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 양극탭과 음극탭을 상면에서 바라본 평면도 및 측면에서 바라본 측면도이다. 도 14는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 양극탭과 음극탭을 상면에서 바라본 평면도 및 측면에서 바라본 측면도이다. 본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 이하, 본 발명에 따른 스트레스를 완화할 수 있는 전극탭을 포함하는 원통형 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 원통형 전지셀을 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 원통형 전지셀에서 음극탭과 양극탭이 연결된 전극조립체를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 음극탭이 음극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도, 도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 양극탭이 양극에 연결된 모습을 나타낸 부분사시도이고, 도 6는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 양극탭과 음극탭을 상면에서 바라본 평면도 및 측면에서 바라본 측면도이다. 도 2 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 원통형 전지셀은 전극조립체(100), 원통형 케이스(200), 음극탭(300), 및 양극탭(400)을 포함하여 구성된다. 먼저 전극 조립체(100)에 관해 설명하면, 전극 조립체(100)는 긴 시트형의 음극(110)과 양극(1120) 사이에 분리막(130)이 개재된 후 권취된 젤리-롤형 전극 조립체(100)이다. 음극(110)은 음극 집전체와, 음극 집전체 하면과 상면에 도포되는 음극 활물질을 포함하여 구성된다. 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 음극 활물질로는 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료; Si, SiO, SiO2 단독 또는 이들의 혼합물인 Si계 등을 사용할 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 물론 음극 활물질에 도전재와 바인더가 추가적으로 혼합되어 음극 집전체에 코팅될 수 있다. 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 일정 비율로 사용될 수 있다. 바인더는 음극 활물질과 도전재 등의 결착과 집전체에 대한 결착에 조력하는 성분으로, 스티렌부타디엔 고무(SBR: styrene butadiene rubber), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(acrylonitrile butadiene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 플루오르 고무(fluoro rubber), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산(PAA: polyacrylic acid), 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol), 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile) 및 폴리아크릴 아미드(PAM:polyacryl amide)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 양극(120)은 양극 집전체와, 양극 집전체 상면과 하면에 도포되는 양극 활물질을 포함하여 구성된다. 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또 양극 활물질의 접착력을 높일 수 있도록, 표면에 미세한 요철을 형성하거나 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(L