CN114497909A - 用于二次电池的激光焊接方法及激光焊接设备 - Google Patents

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许镇奎
朴铭濬
卢载勳
柳相铉
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Abstract

公开了一种用于二次电池的激光焊接方法，其中，将第一电极基底接线片和第二电极基底接线片分别激光焊接到第一电极板的第一电极未涂覆区域和第二电极板的第二电极未涂覆区域上，其中，第一电极基底接线片和第二电极基底接线片利用激光束熔融结合，以在其焊接部分处具有预设焊接图案。

Description

用于二次电池的激光焊接方法及激光焊接设备
本申请要求于2020年10月28日在韩国知识产权局提交的第10-2020-0141395号韩国专利申请的优先权和权益，该韩国专利申请的内容通过全部包含于此。
技术领域
本公开的实施例涉及一种用于二次电池的激光焊接方法及激光焊接设备，其中可以改善超薄焊接区域的焊接质量。
背景技术
二次电池包括电极组件和电池单体，电极组件具有正极、负极以及介于正极与负极之间的隔膜，电池单体包括电极组件浸渍在其中的电解质溶液。通常，二次电池的电极组件具有这样的结构：负极活性物质层或正极活性物质层形成在薄膜基底上，并且负极基底接线片或正极基底接线片形成在未涂覆区域(即，其上未形成活性物质层的区域)上。
发明内容
根据实施例的方面，一种用于二次电池的激光焊接方法可以包括：照射第一激光束，以将第一电极基底接线片激光焊接到第一电极板的第一电极未涂覆区域上，使得第一激光束照射到第一焊接部分上，第一焊接部分位于第一电极基底接线片与第一电极未涂覆区域之间的叠置区域上；以及照射第二激光束，以将第二电极基底接线片激光焊接到第二电极板的第二电极未涂覆区域上，使得第二激光束照射到第二焊接部分上，第二焊接部分位于第二电极基底接线片与第二电极未涂覆区域之间的叠置区域上，其中，第一电极基底接线片和第二电极基底接线片分别利用第一激光束和第二激光束熔融结合，以在第一焊接部分和第二焊接部分中的每个处具有预设焊接图案。
激光束照射到的焊接部分可以是第一电极基底接线片和第二电极基底接线片。
激光束照射到的焊接部分可以是第一电极未涂覆区域和第二电极未涂覆区域。
可以对焊接部分进行点焊，并且可以通过使点焊部分叠置来形成焊接图案。
根据实施例的方面，一种用于二次电池的激光焊接设备可以包括：主体；传感器，位于主体的一侧上，传感器被配置为检测从焊接部分反射的光；反射构件，位于主体内部，反射构件被配置为将从焊接部分反射的光传输到传感器；以及控制器，电连接到传感器，控制器被配置为将传感器的输出值与预设参考值进行比较，并且确定焊接部分是否有缺陷。
焊接部分可以是焊接到二次电池的电极板的未涂覆区域的电极基底接线片。
焊接部分可以是焊接到二次电池的电极基底接线片的电极未涂覆区域。
焊接部分可以经受点焊，并且焊接图案可以通过使点焊部分叠置来形成。
传感器可以是光电二极管传感器。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将变得明显。
图1是根据实施例的二次电池的透视图。
图2是图1中的电极组件的平面图。
图3是根据图1的电极组件的一部分的平面图。
图4A是图3中的电极组件的焊接部分的放大平面图。
图4B是图4A中的焊接部分的侧视图。
图4C是根据另一实施例的电极组件的焊接部分的放大平面图。
图4D是图4C中的焊接部分的侧视图。
图5是根据实施例的用于二次电池的激光焊接设备中的主要组件和监测装置的示意图。
图6A是在对比激光焊接期间激光功率根据焊接时间的曲线图。
图6B是在根据实施例的激光焊接期间激光功率根据焊接时间的曲线图。
图7A至图7C是根据各种实施例的焊接区域的图案的示意图。
图8A至图8C是根据各种实施例的焊接部分的变形量的图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述示例实施例；然而，它们可以以不同的形式实施，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达示例性实施方式。
在附图中，为了图示的清楚，可以夸大层和区域的尺寸。还将理解的是，当层或元件被称为“在”另一层或元件“上”时，该层或元件可以直接在所述另一层或元件上，或者也可以存在中间层。另外，还将理解的是，当层被称为“在”两个层“之间”时，该层可以是所述两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或更多个中间层。同样的附图标记始终表示同样的元件。
另外，如这里所使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或更多个的任何组合和所有组合。另外，将理解的是，当元件A被称为“连接到”元件B时，元件A可以直接连接到元件B，或者在它们之间可以存在中间元件C，使得元件A和元件B彼此间接连接。
这里使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在成为公开的限制。如这里所使用的，单数形式也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包含或包括”和/或其变型时，说明存在所陈述的特征、数量、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
将理解的是，尽管在这里可以使用术语第一、第二等来描述各种构件、元件、区域、层和/或部分，但是这些构件、元件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个构件、元件、区域、层和/或部分与另一构件、元件、区域、层和/或部分区分开。因此，例如，下面讨论的第一构件、第一元件、第一区域、第一层和/或第一部分可以被称为第二构件、第二元件、第二区域、第二层和/或第二部分，而不脱离本公开的教导。
为了易于描述，这里可以使用空间相对术语(例如“下”、“在……上方”、“上”等)来描述如图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解的是，除了图中所描绘的方位之外，空间相对术语旨在还涵盖装置在使用或操作中的不同方位。
在下文中，将参照附图详细描述根据实施例的用于二次电池的激光焊接方法和激光焊接设备。将参照附图简要描述二次电池的构造。
图1是示出根据实施例的二次电池的透视图。图2是图1的二次电池的局部视图，并且图3是示出根据图1的电极组件的一部分的平面图。
参照图1和图2，根据实施例的二次电池10可以包括电极组件100和容纳电极组件100的袋状壳体300。可以通过对形成为薄形状或膜形状的第一电极板110、隔膜120和第二电极板130的堆叠体进行卷绕或堆叠来形成电极组件100。例如，第一电极板110可以是负极，并且第二电极板130可以是正极(例如，但是也可以应用反之亦然的构造)。电极组件100通常也称为具有果冻卷形状。在下文中将描述电极组件100被卷绕的示例。
参照图3，可以通过在由金属(例如，铜、铜合金、镍或镍合金)箔形成的第一电极基底112上涂覆第一电极活性物质114(例如，石墨或碳)来形成第一电极板110。可以在第一电极基底112的部分区域中形成第一电极未涂覆区域116(即，未施用第一电极活性物质114的区域)。第一电极基底接线片118可以在第一电极基底112的宽度方向上设置在第一电极未涂覆区域116上。例如，如图3中所示，当第一电极活性物质114和第一电极未涂覆区域116沿着第一电极基底112的纵向方向彼此相邻时，第一电极基底接线片118可以在与第一电极基底112的纵向方向垂直的方向上从第一电极未涂覆区域116突出。例如，当第一电极未涂覆区域116形成在第一电极基底112的纵向方向上的中心处时，第一电极基底接线片118被称为中心接线片。
第一电极未涂覆区域116可以形成为相对于第一电极基底112的纵向方向朝向一侧偏置。这也适用于稍后将描述的第二电极基底接线片138(见图2)。
如图3中所示，第一电极基底接线片118从第一电极基底112向外延伸(即，在图2中向上延伸)。第一电极基底接线片118用作用于第一电极板110与外部端子之间的电流的通道。如图1和图2中所示，绝缘构件119可以附着到第一电极基底接线片118，以防止第一电极基底接线片118与壳体300短路。
可以通过在由金属(例如，铝或铝合金)箔形成的第二电极基底上涂覆第二电极活性物质(例如，过渡金属氧化物)来形成第二电极板130。第二电极未涂覆区域(即，未施用第二电极活性物质的区域)可以设置在第二电极基底的部分区域中。第二电极基底接线片138可以在第二电极基底的宽度方向上形成在第二电极未涂覆区域上。如图1和图2中所示，第二电极基底接线片138可以延伸到第二电极基底的外部(在图2中向上延伸)。例如，第一电极板110和第二电极板130以及它们的组件的形状可以彼此相同或相似。
例如，参照图1和图2，第二电极基底接线片138可以例如沿着x方向与第一电极基底接线片118水平相邻但间隔开。例如，如图1中进一步所示，第二电极基底接线片138可以设置在不与第一电极基底接线片118叠置的区域(例如，沿着z方向不与第一电极基底接线片118叠置的区域)中。第二电极基底接线片138用作用于第二电极板130与外部端子之间的电流的通道。绝缘构件139附着到第二电极基底接线片138，以防止第二电极基底接线片138与壳体300短路。
上述第一电极基底接线片118和第二电极基底接线片138可以如图3中所示地通过焊接连接到相应的未涂覆区域。例如，如图3中所示，焊接部分A可以呈现为预设焊接图案(例如，通过使用产生预设焊接图案(将在下面参照图7A至图7C更详细地描述)的激光熔融结合可以使焊接部分A呈现为预设焊接图案)。下面将更详细地描述第一电极基底接线片118和第二电极基底接线片138的焊接设备和焊接方法。
返回参照图1，隔膜120可以介于第一电极板110与第二电极板130之间，并且防止第一电极板110与第二电极板130之间的短路。为此，隔膜120可以形成为比第一电极板110和第二电极板130大。隔膜120可以由例如聚乙烯、聚丙烯或者聚乙烯和聚丙烯的复合膜制成。
如图1中进一步所示，具有这种结构的电极组件100可以与电解质卷绕在一起并且容纳在壳体300中。壳体300可以是袋型或口袋型，并且可以被称为层叠壳体、袋、袋壳体等。壳体300可以包括凹部310，电极组件100容纳在凹部310中。可以通过将板状外部材料弯曲成彼此面对，然后通过执行压制或拉伸工艺来形成凹部310。密封部件330可以形成在凹部310的外周上，并且密封部件330可以在电极组件100容纳在凹部310中的状态下通过热熔等密封。
在具有上述构造的二次电池中，用于对薄膜基底(即，电极板的未涂覆区域)和基底接线片进行焊接的激光焊接设备以及焊接质量监测方法将描述如下。
图4A是图3中的第一电极板110的焊接部分A的放大平面图。图4B是图4A的焊接部分A的侧视图。
参照图4A，第一电极基底接线片118可以被焊接到第一电极未涂覆区域116(即，第一电极基底112的未施用第一电极活性物质114的部分)上。这里，焊接方法是激光焊接，并且焊接部分A(即，激光束照射到的区域)可以是第一电极基底接线片118的一部分。例如，参照图4B，可以将激光束直接照射到焊接部分A上，即，可以将激光束直接照射到第一电极基底接线片118上。相同的焊接方法也可以应用于第二电极基底接线片138。
图4C是根据另一实施例的电极组件的焊接部分A'的放大平面图。图4D是图4C中的焊接部分A'的侧视图。
如图4C中所示，第一电极基底接线片118'被焊接到第一电极未涂覆区域116'(即，第一电极基底112'的未施用第一电极活性物质114'的部分上)上。如图4D中所示，焊接部分A'可以不形成在第一电极基底接线片118上，而是形成在第一电极未涂覆区域116'上。也就是说，如图4D中所示，可以将激光束直接照射到第一电极未涂覆区域116'上，例如，第一电极未涂覆区域116'的被激光束照射的表面可以与第一电极未涂覆区域116'的直接接触第一电极基底接线片118'的表面相对。
图5是根据实施例的用于二次电池的激光焊接设备的主要组件和监测装置的示意图。图6A是示出在对比激光焊接期间激光功率根据焊接时间的曲线图，并且图6B是示出在根据示例性实施例的激光焊接期间激光功率根据焊接时间的曲线图。
如图5中所示，激光焊接设备30可以包括多个透镜31，因此激光束L通过多个透镜31朝向焊接目标(例如，朝向第一电极基底接线片118上的焊接部分A(或第一电极未涂覆区域116'上的焊接部分A'))照射，以对焊接目标进行焊接。例如，如图5中所示，激光束L可以沿着与第一电极未涂覆区域116的表面垂直的方向(例如，沿着与第一电极未涂覆区域116和第一电极基底接线片118之间的接触表面垂直的方向)照射，且多个透镜31沿着激光的照射方向彼此间隔开。
在激光焊接设备30中，多个透镜31以及反射构件32和34可以安装在主体30a内部，并且用于监测焊接质量的传感器50可以安装在主体30a的一侧上或外部。用于确定焊接质量的控制器70可以设置在主体30a内部，或者可以单独设置，这将在后面描述。
通常可以通过超声波焊接来执行基底接线片与电极板的未涂覆部分的焊接。然而，超声波焊接是一种压力焊接界面结合方法，其会具有根据操作者的技能水平而变化的焊头和砧座的设定值。另外，超声波焊接需要焊头和砧座(它们是消耗品)，并且可能产生无法被检查的弱焊接或裂纹缺陷，例如，在超声波焊接中仅可以目视检查和检测穿透缺陷和焊接的存在/不存在。
另一种通常的焊接方法可以通过非接触熔融结合方法来执行，即，激光焊接设备可以根据激光束的振荡形式被分成连续振荡模式、脉冲振荡模式和快速切换脉冲振荡模式。然而，如图6A中所示，在连续振荡模式焊接(即，激光束的输出保持恒定的连续波CW)期间，焊接图案沿着焊接方向变成直的且连续的线，在薄膜的焊接期间会出现穿透缺陷。虽然可以通过以非接触熔化结合方法实施点焊(例如，通过设定脉冲振荡模式或快速切换脉冲振荡模式)来使薄膜焊接期间热影响区的形成最小化，但是焊接区域的点焊期间的小熔融区域会具有降低的焊接强度，从而需要焊接区域的熔融区域的适当尺寸以保持足够的焊接强度。
因此，根据示例实施例，如图6B中所示，通过控制脉冲形式的激光束的输出以使点焊部分叠置，可以将焊接强度保持在适当的或更高的水平。例如，如图6B中所示，可以将激光束的间歇脉冲施加到目标，使得由激光束在目标上产生的焊点可以彼此部分叠置成预定形状(例如，如由控制器确定的预定形状)。使点焊部分叠置的脉冲振荡模式也被称为CW调制或激光光斑叠置模式，例如，可以将照射激光设定为CW调制模式或光斑叠置模式(脉冲叠置模式)，以在焊接部分A中执行熔融结合。因此，图3至图4D中的焊接部分A可以被观察为各种形状，例如，由叠置的点焊部分(而不是彼此间隔开一定距离或更大距离的叠置的点)形成的各种焊接图案。
图7A至图7C是根据各种实施例的焊接区域的形状(例如，焊接图案)的示意图。
如图7A中所示，焊接部分A可以被实现为多条直线(例如，平行线)在各种方向上布置的形式。当放大直线时，焊点彼此叠置，但是当从一定距离观察时，每条直线表现为单个直线。具有直形状线的焊接部分A可以被实现为任何数量的直线(例如，至少一条直线)，并且还可以以各种角度实现。尽管在图7A中示出了具有三条直线的焊接部分A，但是可以以各种方式修改焊接部分A，例如，通过将一条、两条、四条或更多条直线彼此平行且相对于第一电极未涂覆区域的边缘以特定角度布置。
另外，如图7B中所示，焊接部分A可以被实现为特定的字符形状。尽管图7B以示例的方式示出了英语字母形式的焊接部分A，但是焊接部分A可以被实现为任何合适的字母或符号，例如，被实现为韩文辅音或元音的形式。
另外，如图7C中所示，焊接部分A可以形成为重复图案的形式。例如，焊接部分A可以实现为螺旋形式或实现为相同图案(例如，圆形/正方形/三角形)在改变其尺寸的同时顺序布置的形式。
可以通过变形量分析将焊接部分A的形状修改为适当的形式。图8A至图8C是根据各种实施例的焊接部分的变形量的图。图8A至图8C是示出当用于焊接设备的夹具紧密地附着到焊接部分(A)时焊接部分的变形量的图。
如图8A中所示，当焊接部分A被焊接成数字11的形状(例如，将激光以两条平行线的形状照射)时，焊接部分A的上侧和下侧不固定，而仅左侧和右侧固定，这被定义为双侧粘合。这里，焊接部分A与用于焊接的夹具紧密接触，因此发生轻微的变形。然而，焊接部分A周围的薄膜基底(未涂覆区域)的变形量几乎可以忽略不计(变形量越小，焊接部分A的颜色越深(暗))。
如图8B中所示，当焊接部分A被焊接成倒“U”形(而不是圆形)时，左侧的下侧和右侧的下侧(例如，倒“U”的下侧)不固定，而仅左侧的上侧和右侧的上侧(例如，倒“U”的上侧)固定，这被定义为三侧(例如，倒“U”的三侧)粘合。这里，焊接部分A与用于焊接的夹具紧密接触，因此发生轻微的变形。然而，焊接部分A周围的薄膜基底(未涂覆区域)的变形量几乎可以忽略不计。
如图8C中所示，当焊接部分A被焊接成圆形时，上、下、左和右的四个侧面都紧密接触，因此，例如，与图8A和图8B中所示的情况相比，薄膜基底的变形量略微增加。以这种方式，可以通过变形量分析针对焊接部分A的每个焊接图案形状得出使薄膜基底(未涂覆区域)的变形量最小化的图案。然而，由于被应用激光焊接的焊接部分的变形量显著小于压力焊接方法的超声波焊接的变形量，因此变形量分析应当被理解为在实施例中用于得出最佳焊接图案的方法。
同时，在焊接部分的情况下，根据各种条件(例如，激光束的输出)，可能出现穿透缺陷。提出了一种无需操作者视觉确认的用于自动检测这种焊接缺陷的方法。
如上面在图5中所描述的，激光焊接设备30可以包括用于反射从焊接部分发射的光的多个反射构件32和34，以及能够检测反射光的传感器50。
当激光束照射到焊接部分A时，反射构件32和34将从焊接部分A的表面发射的反射光传输到传感器50。为此，反射构件32和34可以由具有大于或等于预定反射率水平的反射率的镜子或金属材料形成。
传感器50可以安装在激光焊接设备30的一侧上，并且检测通过反射构件32和34引入的反射光。例如，传感器50可以被提供为光电二极管传感器。光电二极管传感器是将光能转换为电能并且将光强度输出为电压值的传感器。因此，可以通过输出的电压值检测穿透缺陷。可以确定的是，当传感器50检测到反射光时，没有穿透缺陷地执行了焊接，并且当未检测到反射光或检测到预定设定值或更小的反射光时，发生了具有微小裂纹或贯穿孔的穿透缺陷。
可以通过激光焊接设备30的控制器或单独的控制器70来确定焊接部分A的这种缺陷。控制器70可以将从传感器50输出的电压值与预设参考值进行比较，以确定焊接部分A的质量，例如，焊接部分A是否被适当地焊接。例如，当电压值为0时，这意味着由于潜在产生的孔或裂纹而没有反射光，控制器70确定在焊接部分A中已经发生了穿透缺陷。
传感器50和控制器70以有线或无线方式连接并且实时通信。因此，能够实现焊接部分的实时监测。
通过总结和回顾，超声波焊接通常可以用于将单独的多接线片接合到电极组件中的基底接线片。然而，在超声波焊接的情况下，只能通过目视检查来确定焊接的存在/不存在，而不能确定焊接缺陷(例如，弱焊接(因为没有适当地执行焊接，所以焊接部分的结合强度低的状态))。另外，在检查要经受超声波焊接的部分时，除了目视(例如，外观)检查之外，没有单独的质量验证方法，使得难以确保超声波焊接的可靠性。因此，当应用激光焊接时，因为由于应用熔焊而存在穿透的风险，所以可能不容易将激光焊接应用于超薄基底。
因此，实施例提供了一种用于二次电池的激光焊接方法和激光焊接设备，其中可以改善超薄焊接区域的焊接质量。也就是说，根据实施例，由于使用针对超薄膜优化的激光束模式来防止穿透缺陷的发生，因此可以使穿透缺陷最小化，并且可以改善激光焊接质量。另外，根据实施例，通过使用光电二极管传感器，可以实时监测焊接缺陷，从而使焊接缺陷最小化。
虽然上面已经描述了仅一个实施例，但是本公开不限于上述实施例，并且本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离如由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种用于二次电池的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括：
照射第一激光束，以将第一电极基底接线片激光焊接到第一电极板的第一电极未涂覆区域上，使得所述第一激光束照射到第一焊接部分上，所述第一焊接部分位于所述第一电极基底接线片与所述第一电极未涂覆区域之间的叠置区域上；以及
照射第二激光束，以将第二电极基底接线片激光焊接到第二电极板的第二电极未涂覆区域上，使得所述第二激光束照射到第二焊接部分上，所述第二焊接部分位于所述第二电极基底接线片与所述第二电极未涂覆区域之间的叠置区域上，
其中，所述第一电极基底接线片和所述第二电极基底接线片分别利用所述第一激光束和所述第二激光束熔融结合，以在所述第一焊接部分和所述第二焊接部分中的每个处具有预设焊接图案。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述第一焊接部分和所述第二焊接部分分别是所述第一电极基底接线片和所述第二电极基底接线片的部分。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述第一焊接部分和所述第二焊接部分分别是所述第一电极未涂覆区域和所述第二电极未涂覆区域的部分。
4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，照射所述第一激光束和所述第二激光束的步骤包括执行点焊，使得在所述第一焊接部分和所述第二焊接部分中的每个处的所述预设焊接图案通过使点焊部分叠置而形成。
5.一种用于二次电池的激光焊接设备，所述激光焊接设备包括：
主体；
传感器，位于所述主体的一侧上，所述传感器被配置为检测从焊接部分反射的光；
反射构件，位于所述主体内部，所述反射构件被配置为将从所述焊接部分反射的光传输到所述传感器；以及
控制器，电连接到所述传感器，所述控制器被配置为将所述传感器的输出值与预设参考值进行比较，并且确定所述焊接部分是否有缺陷。
6.根据权利要求5所述的激光焊接设备，其中，所述焊接部分是焊接到所述二次电池的电极板的未涂覆区域的电极基底接线片，并且所述传感器被配置为检测从所述电极基底接线片反射的光。
7.根据权利要求5所述的激光焊接设备，其中，所述焊接部分是焊接到所述二次电池的电极基底接线片的电极未涂覆区域，并且所述传感器被配置为检测从所述电极未涂覆区域反射的光。
8.根据权利要求5所述的激光焊接设备，其中，所述焊接部分包括叠置的点焊部分。
9.根据权利要求5所述的激光焊接设备，其中，所述传感器是光电二极管传感器。
10.根据权利要求5所述的激光焊接设备，其中，所述控制器以有线或无线方式连接到所述传感器。
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