JP2026041663A - 溶接性能が向上したリードタブ - Google Patents

溶接性能が向上したリードタブ

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Abstract

【課題】溶接性能が向上したリードタブ、および二次電池を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態は、アルミニウムを含む金属基材と、前記金属基材の両面に積層された金属層と、を含み、前記金属層は、70~99.9重量%のクロムを含み、超音波溶接強度が70kgf/mm以上のリードタブ10を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、溶接性能が向上したリードタブに関する。
半導体、ディスプレイとともにIT機器の核心部品として二次電池産業が脚光を浴びている。最近、大容量電池が使用される電気自転車、ハイブリッド自動車(HEV)、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)およびエネルギー貯蔵装置(ESS)などの用途としてその使用が増加している。
一般的な二次電池には、外部に電気を取り出すためのリードタブが設けられている。二次電池において、リードタブは、一端が電池素子に接続されながら対向するフィルムに狭窄され、他端は、フィルムの外側に突出している。
二次電池に物理的な外力が加わる場合、リードタブと電極タブの溶接部位の結合力が弱くなり、その一部または全体が切断される問題が発生し、この状態で短時間内に多くの電流が流れるようになると、電池が加熱されて発火または爆発の危険性がある。
これらの問題を解決するために、溶接性能が向上したリードタブについての研究が継続的に行われている。
本発明は、前述のような関連技術の制限および欠点に起因する問題を防止することができる溶接性能が向上したリードタブに関する。
前述した本発明の観点に加えて、本発明の他の特徴および利点は、以下で説明されるか、またはそのような説明から、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
本発明の一実施形態は、アルミニウムを含む金属基材と、前記金属基材の両面に積層された金属層と、を含み、前記金属層は、70~99.9重量%のクロムを含み、超音波溶接強度が70kgf/mm以上のリードタブを提供する。
本発明によると、溶接性能が向上したリードタブを提供し得る。
本発明の一実施形態による二次電池の斜視図である。 本発明の一実施形態によるリードタブの断面図である。 図1のI-I’に沿って切り取った断面図である。 スパッタリング装置の一部を概略的に示す概念図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明の明確な理解を助けるための例示的な目的で提示されるものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
本発明の実施形態を説明するための図面に開示された形状、サイズ、比率、角度、数などは例示的なものであり、本発明が図面に示された事項に限定されるものではない。明細書全体にわたって、同じ構成要素は、同じ参照番号と呼ばれることができる。本発明を説明するにあたり、関連する公知技術の具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすることができると判断される場合、その詳細な説明は省略される。
本明細書で言及される「含む」、「有する」、「行われる」などが使用される場合、「~のみ」という表現が使用されない限り、他の部分が追加され得る。構成要素が単数で表現された場合、特に明示的な記載事項がない限り複数を含む。また、構成要素を解析するにあたり、別途の明示的記載がなくても誤差範囲を含むものと解釈する。
位置関係の説明である場合、例えば、「~上に」、「~上部に」、「~下部に」、「~横に」などと2つの部分の位置関係が説明される場合、「直ちに」または「直接」という表現が使用されない以上、2つの部分の間に1つ以上の他の部分が位置し得る。
空間的に相対的な用語である「下(Below、Beneath)」、「下部(Lower)」、「上(Above)」、「上部(Upper)」などは、図面に示されるように、1つの素子または構成要素と他の素子または構成要素との相関関係を容易に記載するために使用できる。空間的に相対的な用語は、図面に示されている方向に加えて、使用時または動作時に素子の互いに異なる方向を含む用語として理解されるべきである。例えば、図面に示されている素子を反転する場合、他の素子の「下(Below)」または「下(Beneath)」と記載された素子は、他の素子の「上(Above)」に置かれることができる。したがって、例示的な用語「下」は、下と上の方向の両方を含み得る。同様に、例示的な用語「うえ」または「上」は、上と下の方向の両方を含み得る。
時間関係の説明である場合、例えば、「~後に」、「~に続いて」、「~の次に」、「~前に」などで時間的先後関係が説明される場合、「直ちに」または「直接」という表現が使用されない以上、連続的でない場合も含み得る。
第1、第2などは、様々な構成要素を説明するために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語によって限定されない。これらの用語は、1つの構成要素を他の構成要素と区別するためにのみ使用される。したがって、以下で言及される第1構成要素は、本発明の技術的思想内で第2構成要素であり得る。
「少なくとも1つ」という用語は、1つ以上の関連項目から提示可能なすべての組み合わせを含むものと理解されるべきである。例えば、「第1項目、第2項目、および第3項目のうちの少なくとも1つ」の意味は、第1項目、第2項目、または第3項目のそれぞれだけでなく、第1項目、第2項目、および第3項目のうちの2つ以上から提示できるすべての項目の組み合わせを意味し得る。
本発明の様々な実施形態のそれぞれの特徴は、部分的または全体的に互いに結合または組み合わせ可能であり、技術的に様々な連動および駆動が可能であり、各実施形態は、互いに独立して実施可能であり、関連関係でともに実施されることもある。
図1は、本発明の一実施形態による二次電池1の斜視図である。
図2は、本発明の一実施形態によるリードタブ10の断面図である。
図3は、図1のI-I’に沿って切り取った断面図である。
本発明の一実施形態による二次電池1の種類に特に制限はないが、好ましくはリチウム二次電池であってもよい。
図1および図3を参照すると、本発明の一実施形態による二次電池1は、フィルム状の正極161とフィルム状の負極162が分離膜163を通じて互いに重なった状態で配置され、これら正極161と負極162との間に電解液164が配置されてリチウムイオンの伝達によって充放電が可能になるように構成されたものである。これら正極161、負極162および電解液164を含んでなる二次電池1は、外装材30によって液密状態で被覆されている。具体的には、外装材30の内部に正極161、負極162および電解液164が封入されて外部からこれらを保護する。また、負極162は、二次電池用の銅箔を負極集電体とし、その上に負極活物質スラリーがコーティングされた構造として形成される。正極161も同様にアルミニウムのような正極集電体の上に正極活物質スラリーがコーティングされた構造で形成される。
また、図面には示されていないが、リードタブ10は、負極リードタブおよび正極リードタブからなり得る。より具体的には、図1の左側に配置されたリードタブ10が正極リードタブであり、右側に配置されたリードタブ10が負極リードタブであり得る。
図1を参照すると、二次電池1の外装材30の一側面には、シーリングテープ20が配置される。シーリングテープ20は、リードタブ10と外装材30との接着性をさらに向上させるためのものである。シーリングテープ20は、リードタブ10上に配置され、シーリングテープ20の一部は、外装材30の内面に密着して外装材30を密封する。シーリングテープ20は、外装材30の内部に封入された電解液164などの液漏れを防止する機能を有する。また、シーリングテープ20は、リードタブ10と外装材30との間に配置され、リードタブ10と外装材30との間の絶縁性を確保する機能を有する。シーリングテープ20としては、ポリプロピレン(Polypropylene)フィルムが使用される。しかし、本発明の一実施形態は、これに限定されず、高分子系の複合体からなり得る。
図1を参照すると、リードタブ10の一端が正極161および負極162のいずれかと接続され、リードタブ10の他端が外装材30の外部に露出する。
図2に示すように、本発明のリードタブ10は、アルミニウム(Al)を含む金属基材110、金属基材110上の金属層120を含む。金属基材110および金属層120についての説明は、以下で詳細に説明される。
図3を参照すると、正極161から突出した複数の電極タブ150は、一体に結合されてプレウェルディング部151を形成し、前記プレウェルディング部151の上端にリードタブ10が溶接によって電気的に接続される。
例えば、溶接方法として超音波溶接の場合、超音波振動が加わると摩擦熱によって塑性変形されながら電極タブ150が一体に結合されて形成されたプレウェルディング部151にリードタブ10が入り込んで密着する。
金属基材110の素材としては特に限定されないが、アルミニウムまたは銅で形成され得る。本発明の一実施形態によると、金属基材110は、アルミニウムで形成され得る。
本発明の一実施形態によると、金属基材110は、100~1,000μmの厚さを有し得る。好ましくは、100~500μmの厚さを有し得る。
本発明の一実施形態によると、リードタブ10は、金属基材110上の金属層120をさらに含み得る。
金属層120は、70.0~99.9重量%(w/w)のクロム(Cr)を含む。
具体的に、金属層120は、ドライ真空工程によって形成され得る。例えば、金属層120は、ドライ真空工程の一例として、スパッタリング工程、Evaporation工程、Ion Plating工程、およびCVD工程のいずれかによって形成され得る。好ましくは、金属層120は、スパッタリング工程によって形成され得る。
一般に、リードタブは、耐食性を向上させるためにクロム化合物を含む保護層をさらに含む。このとき、保護層は、クロメート処理によって形成される。しかし、クロメート処理によって形成される保護層は、保護層内の非常に高い酸素分率を有し得る。ここで、酸素分率とは、保護層内の全原子数に対する酸素が占める割合を意味する。酸素分率が非常に高い保護層は、保護層と接する金属層が過度に酸化されてリードタブと絶縁フィルムとの密着力が低くなり、リードタブと電極タブとの間の溶接性能が低下してリードタブと電極タブの溶接部位の結合力が弱くなり、その一部または全体が切断される問題が発生することがあり、この状態で短時間内に多くの電流が流れることになる場合、電池が加熱されて発火または爆発の危険性がある。
また、クロメート処理によって形成される保護層の場合、当該保護層の内部に3価クロム(Cr3+)または6価クロム(Cr6+)が一部存在し得る。このとき、保護層内に存在する6価クロム(Cr6+)は、強い酸化力を有し得る。その結果、保護層と接する金属層が過度に酸化されてリードタブと絶縁フィルムとの密着力が低くなり、リードタブと電極タブとの間の溶接性能が低下してリードタブと電極タブの溶接部位の結合力が弱くなることがある。
したがって、本発明の一実施形態によると、リードタブ10とシーリングテープ20との密着力を高め、リードタブ10と電極タブ150との間の溶接性能を向上させるために、金属層120は、70.0~99.9重量%のクロム(Cr)を含む必要がある。
本発明の一実施形態によると、金属層120がスパッタリングによって蒸着されて70.0~99.9重量%のクロム(Cr)を含む場合、金属層120内の酸素分率が目的を達成できる程度に十分に低くなり、リードタブ10とシーリングテープ20との密着力を高め、リードタブ10と電極タブ150との間の溶接性能を向上させることができる。
また、本発明の一実施形態によると、金属層120がスパッタリング工程によって蒸着されて70.0~99.9重量%のクロム(Cr)を含む場合、金属層120内の6価クロム(Cr6+)の影響性が減少して人体の有害性問題および環境問題の発生を抑制することができる。
本発明の一実施形態によるリードタブ10は、70kgf/mm以上の超音波溶接強度を有し得る。リードタブ10の超音波溶接強度は、リードタブ10とプレウェルディング(Pre-welding)された30枚のアルミ箔を超音波を用いて溶接した後、溶接されたリードタブ10とプレウェルディングされた30枚のアルミ箔をそれぞれグリッパー(Gripper)で握った後、引張強度を測定し、このとき測定した引張強度を本発明による超音波溶接強度という。本発明の一実施形態による超音波溶接強度の測定方法は、以下に詳細に説明する。
本発明の一実施形態によると、リードタブ10が70kgf/mm以上の超音波溶接強度を有する場合、リードタブと電極タブの溶接部位の結合力が向上し、その一部または全体が切断される問題を抑制または防止でき、この状態で短時間内に多くの電流が流れるようになっても発火または爆発の危険性が低いことがある。好ましくは、リードタブ10は、80kgf/mm以上の超音波溶接強度を有し得る。
一方、リードタブ10が70kgf/mm未満の超音波溶接強度を有する場合、リードタブと電極タブの溶接部位の結合力が低下してその一部または全体が切断される問題が発生することがあり、この状態で短時間内に多くの電流が流れる場合、電池が加熱されて発火または爆発の危険性が生じることがある。
本発明の一実施形態によると、金属層120は、10~500nmの厚さを有し得る。
金属層120が10nm未満の厚さを有する場合、金属層120が不均一に蒸着でき、その結果、二次電池1の形成時に、前記金属層120上に配置されるシーリングテープ20が不均一に蒸着されて二次電池1内の電解液164が漏れる問題が発生し得る。
また、金属層120が500nmの厚さを超える場合、金属層120内の内部応力が増加してクラック(Crack)が生じる問題が発生する。これに基づいて、本発明の一実施形態による金属層120は、10~500nmの厚さを有する必要がある。好ましくは、10~200nmの厚さを有し得る。
以下、本発明の一実施形態によるリードタブ10の製造方法を具体的に説明する。
まず、金属基材110を準備する。
前記金属基材110は、100~1,000μmの厚さを有し得、素材としては特に限定されないが、アルミニウムまたは銅で形成され得る。本発明の一実施形態によると、金属基材110は、アルミニウムで形成され得る。
続いて、前記金属基材110上にDCスパッタリング装置を用いたスパッタリング工程によって金属層120を形成し得る。金属層120は、10~500nmの厚さを有し得る。
このとき、スパッタリングのターゲットとしては、クロム(Cr)金属が使用される。
図4は、スパッタリング装置40の一部を概略的に示す概念図である。
本発明の一実施形態によると、前記スパッタリング装置40を用いた工程によって金属基材110上に金属層120を形成する。
本発明の一実施形態によると、スパッタリング装置40は、チャンバ13を備え得る。チャンバ13の一側には、ガス注入部11が配置され、チャンバ13の他の一側には、ガス排出部12が配置され得る。
これと関連して、図4には、チャンバ13の左側にガス注入部11が配置され、チャンバ13の右側には、ガス排出部12が配置された場合は示しているが、本発明の一実施形態は、これに限定されるものではなく、ガス注入部11およびガス排出部12の両方がチャンバ13の下側に配置され得る。
ガス注入部11は、スパッタガスがチャンバ13の外部からチャンバ13の内部に注入される経路を提供する。ここで、スパッタガスは、前記ガスに対応し、具体的には、スパッタリング工程に用いられるプラズマ発生に用いられるガスを意味する。スパッタガスは、ガス注入部11を介してチャンバ13の内部に注入され、チャンバ13の内部に印加された電圧によってイオン化され、電子、イオン(例えば、Ar+イオン)、中性のガスが混ざっているプラズマ状態となり得る。一実施形態において、スパッタガスは、アルゴンガスと窒素ガスが混合されたガスであり得、酸素または二酸化窒素(NO)であり得る。
図4には示されていないが、ガス注入部11は、チャンバ13の外部に配置されたガス流量調整装置(図示せず)、ガス貯蔵装置(図示せず)などと連結され得る。ガス貯蔵装置に保存されたガスは、ガス流量調整装置によって調整される流量だけガス注入部11を介してチャンバ13の内部に注入され得る。
ガス排出部12は、チャンバ13の内部を真空状態に維持するためにチャンバ13の内部の空気を外部にポンピングする役割をする。図4には示されていないが、ガス排出部12は、真空ポンプ(図示せず)と連結されてチャンバ13の内部から外部に排気する空気の量を調整できる。
チャンバ13の内部には、基板支持台23、基板支持台23上の基板G、加熱部材22、ターゲット34、ターゲット支持台31および調整部33が配置される。
基板支持台23は、チャンバ13内の下部に配置され、チャンバ13内に引き込まれた基板Gを安着させる役割をする。また、基板支持台23の内部には、基板支持台23に安着した基板Gを所定の温度に加熱するための加熱部材22がさらに配置され得る。これらの加熱部材22は、基板支持台23に安着した基板Gに所定の熱を加えて基板Gの上部に蒸着される蒸着物質との反応性を向上させる役割をする。
本発明の一実施形態によると、基板支持台23上の基板Gは、金属基板110である。
基板支持台23の上部には、基板Gの上部面に蒸着しようとする蒸着物質からなるターゲット34が配置され、ターゲット34は、ターゲット支持台31によってチャンバ13の上部内壁に固定される。ターゲット34の一側には、ターゲット34に電圧を加えるための電源部32が接続されており、基板支持台31は、接地される。また、ターゲット34の背面には、磁石(図示せず)がさらに設けられ得、これらの磁石は、チャンバ13内に形成された電子をターゲット34の近くに閉じ込める役割をする。
ターゲット34に負電荷を加えると、チャンバ13内に注入されたアルゴン(Ar)などのスパッタガスと反応してスパッタガスをイオン化し、イオン化されたスパッタガスは、ターゲット34と衝突する。ここで、ターゲット34の背面に設けられた磁石によってイオン化されたスパッタガスは、継続的にターゲット34と衝突し、これによりターゲット34から分離された蒸着物質は、基板Gに向かって加速して基板Gの上部面に蒸着される。
続いて、チャンバ13の内部に噴射された気化した蒸着物質は、基板Gに向かって移動することによって、基板Gに均一な金属層120が蒸着される。
本発明の一実施形態によると、ターゲット支持台31に配置されたターゲット34は、クロム(Cr)である。
チャンバ13の左側上部には、調整部33が配置される。調整部33によって前処理電流、前処理圧力、前処理パワー、成膜圧力が調整される。
本発明の実施形態によるスパッタリング電圧は、電源部32における電圧を意味する。
以下、実施例および比較例によって本発明を具体的に説明する。ただし、以下の実施例は、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明の権利範囲がこれらの実施例に限定されない。
実施例1
アルミニウムからなる金属基材を準備した後、金属基材上にスパッタリング工程を用いて厚さ20nmの金属層を形成することによって、300μmのリードタブを完成した。スパッタリング工程時のターゲットとしては、クロム(Cr)金属が使用され、スパッタリング電圧は、下記の表1の通りである。
実施例2
金属層形成のためのスパッタリング電圧の条件を除いては、実施例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
実施例3
金属層形成のためのスパッタリング電圧の条件を除いては、実施例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
実施例4
金属層形成のためのスパッタリング電圧の条件を除いては、実施例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
実施例5
金属層形成のためのスパッタリング電圧の条件を除いては、実施例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
比較例1
アルミニウムからなる金属基材を準備した後、金属基材を0.06Mのクロメート溶液に常温で20秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗し、0.06Mのクロメート溶液に常温で10秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗した後、15秒間乾燥を進行して厚さが20nmの保護層を形成することを除いて、実施例1と同様の方法を用いて300μmのリードタブを完成した。
比較例2
保護層の形成時に金属基材を0.06Mのクロメート溶液に常温で15秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗し、0.06Mのクロメート溶液に常温で10秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗した後、15秒間乾燥を進行して厚さが20nmの保護層を形成することを除いて、比較例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
比較例3
保護層の形成時に金属基材を0.06Mのクロメート溶液に常温で20秒間浸漬させた後、15秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗し、0.06Mのクロメート溶液に常温で10秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗した後、15秒間乾燥を進行して厚さが20nmの保護層を形成することを除いて、比較例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
比較例4
保護層の形成時に金属基材を0.06Mのクロメート溶液に常温で20秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗し、0.06Mのクロメート溶液に常温で20秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗した後、15秒間乾燥を進行して厚さが20nmの保護層を形成することを除いて、比較例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
比較例5
保護層の形成時に金属基材を0.06Mのクロメート溶液に常温で20秒間浸漬させた後、10秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗し、0.06Mのクロメート溶液に常温で10秒間浸漬させた後、5秒間常温乾燥を行い、蒸留水で10秒間水洗した後、15秒間乾燥を進行して厚さが20nmの保護層を形成することを除いて、比較例1と同様の方法を用いてリードタブを完成した。
前記実施例1~5および比較例1~5におけるスパッタリング工程による金属層形成の有無によるリードタブの超音波溶接強度は、下記の表1の通りである。
i)超音波溶接強度測定
実施例1~5および比較例1~5で製造されたリードタブのサンプルを、プレウェルディングされた30枚のアルミ箔と超音波溶接(第2超音波溶接段階)した後、引張強度を測定した。
このとき、リードタブのサンプルは、実施例1~5および比較例1~5で製造されたリードタブで45mm×43mmのサイズ(幅:45mm、長さ:43mm)に切断して300μmの厚さに形成される。
プレウェルディングされた30枚のアルミ箔は、50mm×50mmのサイズ(幅:50mm、長さ:50mm)を有し、厚さが10μmであり、アルミニウム(Al)からなるアルミ箔30枚を重ねて超音波溶接(第1超音波溶接段階)を進行して形成される。
<第1超音波溶接段階条件>
Welding Area:45mm×6mmの領域(幅45mm、長さ:6mm)、具体的に、Welding Areaは、アルミ箔の一側面に配置される。
Welding Energy:400J
超音波溶接機:Tech-SONIC社のUS-3620SLS
<第2超音波溶接段階条件>
Welding Area:30mm×6mmの領域(幅:30mm、長さ:6mm)、具体的に、Welding Areaは、プレウェルディングされた30枚のアルミ箔の一側面に配置される。
Welding Energy:2400W
超音波溶接機:Tech-SONIC社のUS-3620SLS
<引張強度測定条件>
溶接されたリードタブサンプルとプレウェルディングされた30枚のアルミ箔について引張強度を測定する。
引張強度は、ORIENTAL TM社OTT-00の万能試験機(UTM)によって測定できる。このとき、超音波溶接が完了されたリードタブサンプルをUTM下部治具にプレウェルディングされた30枚のアルミ箔を上部治具に固定させて引張強度を評価する。
角度:180°
剥離速度:30mm/min
表1を参照すると、以下のような結果を確認できる。
スパッタリング工程で金属基材上に金属層を形成した実施例1~5のリードタブの場合、超音波溶接強度が70kgf/mm以上であることがわかる。
一方、スパッタリング工程によって金属層を形成せず、クロメート処理によって金属基材上に保護層を形成した比較例1~5のリードタブの場合、超音波溶接強度が70kgf/mm未満であることがわかる。
以上で説明した本発明は、前述の実施形態および添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的事項から逸脱しない範囲内で様々な置換、変形および変更が可能であることが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲によって表現され、特許請求の範囲の意味、範囲、およびその等価概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
1:二次電池
10:リードタブ
20:シーリングテープ
30:外装材
110:金属基材
120:金属層

Claims (6)

  1. アルミニウムを含む金属基材と、
    前記金属基材の両面に積層された金属層と、を含み、
    前記金属層は、70~99.9重量%のクロムを含み、
    超音波溶接強度が70kgf/mm以上であるリードタブ。
  2. 前記金属基材の厚さは、100~1,000μmである請求項1に記載のリードタブ。
  3. 前記金属層の厚さは、10~500nmである請求項1に記載のリードタブ。
  4. 前記金属層は、ドライ真空工程によって形成される請求項1に記載のリードタブ。
  5. 前記ドライ真空工程は、スパッタリング工程、Evaporation工程、Ion Plating工程、およびCVD工程のうちの少なくとも1つを含む請求項4に記載のリードタブ。
  6. 請求項1に記載のリードタブを含む二次電池。
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