Search

KR-20260061923-A - Electrode assembly, battery cell, and battery pack and vehicle including the same

KR20260061923AKR 20260061923 AKR20260061923 AKR 20260061923AKR-20260061923-A

Abstract

본 발명은, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 전극 조립체에 있어서, 상기 제1 전극의 단부에 구비되어 상기 제1 전극의 길이 방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출되도록 구성되는 제1 무지부; 및 상기 제1 전극의 길이 방향을 따라 상기 제1 무지부에 적어도 부분적으로 결합되도록 구성되는 제1 연결 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체에 관한 것이다.

Inventors

  • 노수동

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (14)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 전극 조립체에 있어서, 상기 제1 전극의 단부에 구비되어 상기 제1 전극의 길이 방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출되도록 구성되는 제1 무지부; 및 상기 제1 전극의 길이 방향을 따라 상기 제1 무지부에 적어도 부분적으로 결합되도록 구성되는 제1 연결 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 무지부는 권취 방향을 따라 분할되어 구성되는 복수의 제1 분절편을 구비하고, 상기 제1 연결 부재는 상기 권취 방향을 따라 상기 복수의 제1 분절편 중 적어도 일부에 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 연결 부재는 적어도 부분적으로 상기 제1 무지부 중 서로 다른 영역에 결합되도록 구성되는 제1 와이어 및 제2 와이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 와이어 및 상기 제2 와이어는 서로 다른 상기 제1 전극의 권회턴에 위치하는 영역에 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 연결 부재는 복수 개의 와이어를 구비하고, 상기 복수 개의 와이어 중 적어도 일부가 상호 연결되도록 구성되는 제1 결합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 결합부는 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 연결 부재는 상기 제1 무지부의 내측에 결합되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극의 단부에 구비되어 상기 제2 전극의 길이 방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출되도록 구성되는 제2 무지부; 및 상기 제2 전극의 길이 방향을 따라 상기 제2 무지부에 적어도 부분적으로 결합되도록 구성되는 제2 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 연결 부재는 복수 개의 와이어를 구비하고, 상기 복수 개의 와이어 중 적어도 일부가 상호 연결되도록 구성되는 제2 결합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전극 조립체를 수용하며, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되도록 구성되는 전지 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 연결 부재와 전기적으로 연결되도록 구성되는 배터리 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

Description

전극 조립체, 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Electrode assembly, battery cell, and battery pack and vehicle including the same} 본 발명은 전극 조립체, 배터리 셀, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(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 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 한편, 현재 배터리 셀에 쓰이는 퓨즈 장치로는 PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out) 등이 있다. 그러나, PTC나 TCO는 동작을 반복할수록 자체 저항이 증가하여 회로상의 전체적인 저항을 높이게 된다는 단점이 있다. 또한, 상기 언급한 소자들은, 모두 과전류에 의한 발열에 의해서 작동되는 것이다. 즉, 상기 언급한 소자들은, 과충전 등으로 인해 회로 전류 경로상에 과전류가 발생되고 이로써 온도가 상승하게 되어야 비로소 전류의 흐름을 차단하도록 동작하는 소자들에 해당하는 것이다. 따라서, 상기 언급한 소자들의 경우, 발열로 인해 이미 안전이 위협받을 수 있는 상황이 된 이 후에 비로소 동작을 하여 과전류를 차단할 수 있게 되고, 온도를 상승시킬 수 있는 원인이 발생된 즉시 과전류를 차단할 수는 없는 것이다. 이처럼 배터리 셀 내부의 비정상적인 온도 상승 등으로 인해 내압이 증가하더라도 적절한 시점에 과전류 차단이 이루어지지 않게 된다면 발화, 폭발 등의 안전상의 문제가 발생할 수 있다. 한편, 도 1은 종래 배터리 셀의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래 원통형 배터리 셀(1')의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체(A)를 형성하고, 이를 전지 캔(B) 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고, 전극 조립체(A)의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부(C) 및 음극 무지부(D)가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부(C, D)는 절곡되어 서로 중첩되었다. 또한, 무지부(C, D)의 절곡면에 집전체(E)를 용접시켜 집전체(E)가 외부의 전극 단자와 연결되었다. 그러나, 이러한 무지부(C, D)가 절곡되어 서로 중첩되는 경우, 절곡된 무지부(C, D)가 들뜨지 않기 위해서는 무지부(C, D)의 절곡 부위에 강한 압력이 가해져야 하며, 그렇지 않으면 집전체(E)와의 고정이 해제될 수 있다. 이러한 경우, 전극 조립체(A)와 집전체(E)와의 전기 전도성이 낮아지는 문제점이 있다. 더욱이, 집전체(E)에는 전해액 주입을 위한 홀 등이 형성되며, 이러한 집전체(E)의 형상에 의해 무지부(C, D)와 용접될 수 있는 면적이 제한된다. 이에 따라, 무지부(C, D) 전체와 집전체(E) 간의 전자 이동 통로가 형성되지 않는 문제점이 있다. 이러한 경우, 집전체(E)의 저항이 높아질 수 있다. 따라서, 외부의 전극 단자와 전극 조립체의 무지부 간의 전자 이동 통로를 확보하여 배터리 셀의 저항이 최소화될 수 있는 구조가 개발될 필요성이 있다. 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 종래 배터리 셀의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극에 제1 연결 부재가 결합된 것을 나타내는 평면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극이 권취된 것을 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극의 평면도이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극에 제1 연결 부재가 결합된 것을 나타내는 평면도이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극이 권취된 것을 나타내는 도면이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 상부 측을 나타내는 사시도이다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 상부 측을 나타내는 사시도이다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 하부 측을 나타내는 사시도이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 사시도이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 상부 측 단면도이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 하부 측 단면도이다. 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀의 하부 측 단면도이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 도면이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명에는 여러 다양한 실시예가 포함되어 있다. 각 실시예에 대해 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 차이점을 중심으로 설명한다. 설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이 방향을 따르는 방향을 축 방향이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경 방향이라 지칭한다. 먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1)를 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 구조를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극에 제1 연결 부재가 결합된 것을 나타내는 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 제1 전극이 권취된 것을 나타내는 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1)는 제1 극성을 갖는 제1 전극(10), 제1 극성과 반대의 제2 극성을 갖는 제2 전극(20), 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막(30)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예와 같이, 전극 조립체(1)는 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 분리막(30)을 포함하는 적층체가 일 방향(권취 방향)으로 권취된 구조를 가질 수 있다. 제1 전극(10)은 금속 포일로 이루어진 집전체를 구비할 수 있다. 금속 포일은 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 제1 전극(10)의 극성에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 제1 전극(10)은 제1 활물질층(11) 및 제1 무지부(12)를 구비할 수 있다. 제1 활물질층(11)은 전극 활물질이 도포되는 영역일 수 있다. 제1 활물질층(11)은 집전체의 적어도 일면에 형성될 수 있다. 제1 무지부(12)는 전극 활물질이 코팅되지 않은 영역일 수 있다. 제1 무지부(12)는 제1 전극(10)의 권취 방향의 장변 단부에 구비될 수 있다. 제1 무지부(12)는 제1 전극(10)의 일 단부에서 제1 전극(10)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 또한, 제1 무지부(12)는 분리막(30)의 외부로 노출되도록 구성될 수 있다. 제1 무지부(12)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 또한, 제2 전극(20)은 제2 활물질층(21) 및 제2 무지부(22)를 구비할 수 있다. 제2 활물질층(21)은 전극 활물질이 도포되는 영역일 수 있다. 제2 활물질층(21)은 집전체의 적어도 일면에 형성될 수 있다. 제2 무지부(22)는 전극 활물질이 코팅되지 않은 영역일 수 있다. 제2 무지부(22)는 제2 전극(20)의 권취 방향의 장변 단부에 구비될 수 있다. 제2 무지부(22)는 제2 전극(20)의 일 단부에서 제2 전극(20)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 또한, 제2 무지부(22)는 분리막(30)의 외부로 노출되도록 구성될 수 있다. 제2 무지부(22)는 제1 무지부(12)와 반대 측에 구비될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서는, 제1 전극(10)은 양극, 제2 전극(20)은 음극인 실시예를 중심으로 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는